Debit (physique)

Debit (physique)

Débit (physique)

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Un débit permet de mesurer le flux d'une quantité relative à une unité de temps au travers d'une surface quelconque.

Il s'agit d'une notion centrale dans une situation d'écoulement de fluide.

Différents aspects du débit en physique

Le débit peut mesurer, par exemple, la quantité de liquide (notamment l'eau des fleuves et rivières, voir module d'un cours d'eau), des paroles ou des données.

En électricité, une intensité est un débit d'électrons.

En hydraulique, on utilise en règle générale surtout les débits massiques. En effet, dans un processus quelconque, il est préférable d'utiliser cette unité étant donné que le volume d'un gaz ou d'un liquide est très fortement influencé par la température et la pression : P.V=n.R.T selon les CNTP(Valable uniquement pour les gaz parfaits).

Par exemple, pour le circuit secondaire d'une centrale électrique, le débit volumique de vapeur produite pour faire tourner la turbine sera nettement supérieur à celui de la partie eau (qui retourne vers l'échangeur qui la revaporise). Or, en débit massique, le débit reste identique en tous points du circuit donc bien plus pratique. Dans certains cas, il est plus facile de détecter une perte massique de caloporteur (fuite d'eau dans ce cas-ci) d'un circuit par différence de débits massiques.

En revanche, pour un circuit gazeux, il sera par convention utilisé l'unité volumique. Pour les conditions des CNTP constantes bien-sûr, comme une ventilation, un circuit d'alimentation de gaz réglé en pression...

Pour certains cas, on utilisera même l'unité "normée" (Nm3/h : "normo" m3/h) pour des circuits particuliers dont on veut un débit régulier quelles que soient les conditions barométriques et thermiques du milieu. Par exemple les circuit munis de réchauffeurs, surpresseurs, climatiseurs. Le but étant de « ramener » ce débit à celui des CNTP, éliminant alors toutes perturbations liées à la dilatation et la compression.

Le débit massique d'un turboréacteur de type CFM56 au décollage est de l'ordre de 480 kg/s pour un diamètre d'entrée de 1,8 m. Ainsi la vitesse débitante, ou vitesse moyenne, à ce régime est de l'ordre de 188 m/s.

  • Calcul de débit en trafic routier

Soit une voie de circulation limitée à 90 km/h. On suppose que la distance entre les véhicules est au minimum de 10m (attention ce n'est pas une consigne de conduite !). Comme vu plus haut, le flux ou débit de véhicules s'écrit D = q' V S~ où q'~ est le nombre de véhicules par unité de volume. Ainsi q'S~ est le nombre de véhicules par unité de longueur soit, pour des véhicules de l'ordre de 4 m de longueur, q'S~ = 1/(10+4) = 0,071 par mètre. La vitesse en m/s est V ~ = 90/3,6 = 25 m/s. Le flux ou débit de véhicule maximum est donc D~ = 1,78 véhicule/s.

  • Débit de dose absorbée

Expression générale du débit

Le flux d'une quantité q~ à travers la surface \Sigma~ est le flux du champ de vecteur \vec E = q'\vec V~ où q' = q/v~ ramène q~ à l'unité de volume. Ainsi, le débit massique qui est un flux de masse par unité de temps à travers une surface, s'exprime comme le flux du vecteur \vec E = \rho \vec V~ où \rho = m/v~ est la masse volumique du matériau qui traverse la surface à la vitesse \vec V~. Le débit volumique est simplement le flux du champ de vitesse.

  • Débit massique D_m~ en kg/s

D_m = \int_\Sigma \rho \vec V \cdot \vec n d\sigma

  • Débit Volumique D_v~ en m3/s

D_v = \int_\Sigma \vec V \cdot \vec n d\sigma


On peut définir de la même façon un débit de quantité de mouvement ou d'énergie à travers une surface \Sigma~ :

  • Débit de quantité de mouvement D_q~ en kg.m/s2

\vec D_q = \int_\Sigma \rho\vec V (\vec V\cdot \vec n) d \sigma

  • Débit d'énergie D_e~ en J/s

D_e = \int_\Sigma \rho e (\vec V\cdot \vec n) d \sigma

où e~ est une énergie par unité de masse en J/kg.

Débit pour un écoulement uniforme

Si la vitesse \vec V~ se réduit à une composante on parlera d'écoulement monocomposante. Si l'intensité V~ de la vitesse d'un écoulement monocomposante est constante dans une section S~, normale au champ de vitesse, on parlera d'écoulement uniforme. Dans cette situation, on peut calculer le débit volumique D_v~ à partir de la seule vitesse V~ et de la section droite S~ :

 D_v = V \cdot S  en  m3/s

Cette expression simplifiée découle bien de l'expression générale quand \vec V \cdot \vec n = V et que V~, constante sur la section, peut sortir de l'intégrale.

Le débit massique dans les mêmes conditions étendues à la masse volumique, s'écrit simplement :

 D_m = \rho V S~  en  kg/s

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