Pression, viscosité, perte de charge ... : « la mécanique des fluides pour les nuls »

Viscosité des solvants, perte de charge à la traversée du filtre, pression nominale, gradient de pression, débit, fluide newtonien … Pas facile de savoir ce qui se cache derrière ces différents paramètres physiques et caractéristiques des fluides.

Or, pour choisir et dimensionner les filtres adaptés à des circuits de production donnés, décrypter une documentation technique de filtres, assurer la maintenance des dispositifs filtrants et les remplacer de façon optimale, il est important de comprendre à quoi correspondent ces notions et quelle importance elles ont en pratique. Pemflow a dressé pour vous un petit précis de mécanique des fluides appliquée.

Filtration et mécanique des fluides

La mécanique des fluides est la branche de la physique qui étudie les écoulements de fluides liquides ou gazeux. Lorsque les fluides sont au repos, on parle de statique des fluides. Lorsqu’ils sont en mouvement, ce qui est typiquement de cas dans les systèmes de filtration, on parle de dynamique des fluides.

Débit

Le débit volumique d'un fluide désigne le volume de fluide qui traverse une section donnée par unité de temps. Il s'exprime en m³/s.

Dans le cas d'une installation mettant en œuvre des dispositifs de filtration, il est important de dimensionner les filtres et les pompes en fonction du volume de fluide que l'on souhaite traiter par unité de temps.

La géométrie et la structure du média filtrant utilisé (fibres creuses, fibres tissées …) conditionnera la surface de filtration disponible et in fine le débit de fluide qui peut le traverser.

Pression

Dans un fluide, les particules sont en mouvement désordonné. À chaque instant, certaines d'entre elles vont entrer en collision et rebondir sur les parois du récipient contenant le fluide. La force exercée par le fluide sur la paroi, perpendiculairement à celle-ci, est appelée force de pression. Cette force de pression est proportionnelle à la surface considérée. On définit donc une grandeur appelée pression, qui correspond à la force par unité de surface, exprimée en Pascal (1 Pa = 1 N/m²).

Compressibilité

Lorsqu'on exerce une contrainte sur un fluide, celui-ci va se déformer plus ou moins, en fonction de sa nature. La compressibilité d'un fluide traduit la diminution relative de son volume sous l'effet de la pression. Elle est élevée pour les gaz et beaucoup plus faible pour les liquides. Autrement dit, il est généralement facile de compresser un gaz, alors que c'est beaucoup moins aisé pour un liquide.

Viscosité

Certains fluides, comme l'huile ou la glycérine, présentent une certaine résistance à l'écoulement. D'autres fluides, comme l'eau par exemple, s'écoulent avec beaucoup moins de difficulté. On dit que l'huile et la glycérine sont plus visqueuses que l'eau.

La viscosité d'un fluide caractérise donc sa résistance à l'écoulement. Elle est définie comme le rapport entre le gradient de vitesse et la contrainte. Elle est liée aux forces de frottement qui existent entre les particules du fluide lorsqu'on met ce dernier en mouvement.

La viscosité d'un fluide doit être prise en compte par exemple dans le choix de la puissance des pompes et la géométrie des filtres utilisés. La viscosité (dynamique) s'exprime en Pascal seconde (Pa·s).

Elle est parfois aussi exprimée en poise (1Pa·s = 10 P) ou centiPoise (1 cP = 1 mPa·s). La viscosité dissipe l'énergie du fluide. Elle est associée à la notion de perte de charge.

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Fluide newtonien

Les fluides peuvent se classer en deux familles, selon le comportement de leur viscosité vis-à-vis de la contrainte mécanique qu'ils subissent.

Un fluide est dit newtonien lorsque sa viscosité est indépendante de la contrainte. La viscosité des fluides newtoniens, comme l'eau, l'air et la plupart des gaz, est donc constante ou ne varie qu'avec la température.

Lorsque la viscosité du fluide varie avec la contrainte mécanique exercée, il est dit non newtonien.

C'est le cas de la plupart des fluides : gels, boues, pâtes, suspensions, émulsions ...

Dans certains cas, leur viscosité augmente quand on applique une action mécanique ; les fluides sont alors dits rhéoépaississants.

C'est le cas par exemple du sable mouillé ou des préparations à base d'amidon de maïs : ils coulent comme un liquide quand ils sont au repos mais deviennent au contraire très durs quand on les remue ou qu’on appuie dessus.

A l'inverse, il existe des fluides dont la viscosité diminue avec la contrainte qu'ils subissent : on parle alors de fluides rhéofluidifiants ou pseudo-plastiques. C’est le cas de certaines encres, vernis ou peintures. Ainsi, alors que les peintures s'étalent bien sous contrainte (le pinceau), elles cessent de couler dès que le pinceau est passé, c'est-à-dire dès qu'elles ne subissent plus de contrainte. Une propriété très utile en pratique, lorsqu'on réalise des travaux de peinture.

Enfin, certains fluides voient leurs propriétés d'écoulement varier avec le temps lorsqu'ils sont soumis à une contrainte. Si, comme le yaourt ou le ketchup, ils deviennent de plus en plus liquides, ils sont appelés  thixotropes. Dans le cas contraire, si leur viscosité augmente, on parle de fluides antithixotropes.

Perte de charge

On appelle perte de charge la dissipation, par frottement, de l’énergie mécanique d’un fluide en mouvement. Dans une conduite horizontale, cette dissipation d'énergie se traduit par une chute de pression le long de l'écoulement.

Pour entretenir le déplacement d'un fluide à travers un circuit, il faut donc lui apporter de l'énergie correspondante pour compenser celle dissipée par frottement. Les pertes de charge dépendent de la forme, des dimensions et de la rugosité des éléments (tuyaux, pompes …), de la vitesse d'écoulement et de la viscosité du fluide.

Les pertes de charges sont dites linéiques ou régulières lorsqu'elles surviennent lors de l’écoulement le long des conduites. On les qualifient de singulières lorsqu'elles se produisent aux niveaux des pièces qui modifient la direction ou la section de passage du fluide (raccord, vannes, soupapes, échangeurs ...).

Lors d'une opération de filtration, le fluide perd de l'énergie (perte de charge singulière) à la traversée du dispositif filtrant, ce qui se traduit par une chute de pression. Cette dernière dépend notamment de la structure du filtre, de la nature du media filtrant mais aussi du degré d'encrassement du filtre.

Les constructeurs indiquent généralement la perte de charge liée à la traversée du filtre sur la fiche produit correspondante.

C'est un paramètre important à prendre en compte dans le choix du dispositif filtrant adopté. Il conditionne ses performances, les coûts de fonctionnement de l'installation, etc.

Ecoulement laminaire, écoulement turbulent

Un écoulement laminaire est un écoulement dans lequel les couches de fluide glissent parallèlement les unes sur les autres, sans se mélanger. Le régime laminaire est un régime où les forces de viscosité sont prépondérantes et déterminent l'écoulement.

Un écoulement turbulent est au contraire un écoulement qui se produit de façon désordonné. Les couches de fluide se mélangent les unes aux autres sous l'effet des tourbillons qui se créent dans le fluide.

Le régime d'écoulement observé dépend notamment de la viscosité du fluide et de sa vitesse.

Suivant le régime d'écoulement, les pertes de charge varient car le comportement du fluide change. L'écoulement laminaire est généralement privilégié dans l'industrie car il limite les pertes de charge, et donc la consommation d’énergie.   

Cisaillement

Une contrainte de cisaillement est une contrainte mécanique appliquée de manière tangentielle à une face d'un matériau, par opposition aux contraintes normales qui s'exercent perpendiculairement à la surface.

Prenons l'exemple d'un liquide circulant entre deux plaques parallèles. Si la plaque inférieure est fixe alors qu'on exerce une force sur celle située au-dessus pour lui communiquer de la vitesse, on exerce sur le liquide des contraintes tangentielles, qui mettent en mouvement les couches de liquide.

La vitesse qu'elles acquièrent dépendant de la viscosité du liquide. Les couches de liquide se déplacent d'autant plus vite qu'elles sont situées près de la plaque en mouvement. S'établit alors en son sein un gradient de vitesse. Le fluide est cisaillé.

Dans le cas des fluides dits complexes (comme par exemple une solution liquide contenant des polymères, ou les mousses et émulsions produits par l'industrie pharmaceutique), la viscosité dépend généralement du taux de cisaillement qu'ils subissent. Ces fluides peuvent en outre être dénaturés si le cisaillement est trop fort.