Écoulement interne

Plonge dans le monde fascinant de l'ingénierie de la mécanique des fluides avec une vue d'ensemble de l'écoulement interne. Découvre des informations vitales sur ce phénomène intégral, élucide sa signification de base, ses caractéristiques clés et la façon dont il est catégorisé en flux laminaires et turbulents. Des exemples concrets d'écoulement interne ainsi que la façon dont il est appliqué dans divers domaines de l'ingénierie sont explorés, offrant ainsi une base solide pour la compréhension. L'article te guide également pour transférer ces connaissances dans des scénarios pratiques et relever les défis de la mise en œuvre. Démystifions le flux interne et son impact sur ton parcours d'ingénieur.

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    Comprendre le concept d'écoulement interne dans la mécanique des fluides de l'ingénieur

    Dans le domaine de la mécanique des fluides, le concept d'écoulement interne est un sujet crucial à étudier et à comprendre. Défini simplement, l'écoulement interne se rapporte au mouvement d'un fluide à l'intérieur de limites fermées.

    L'écoulement interne est l'écoulement d'un fluide dans un tuyau ou un conduit - un espace confiné - par opposition à l'écoulement externe sur un corps dans un fluide non limité.

    Pour apprécier pleinement ce concept, tu dois en saisir la signification et les caractéristiques uniques.

    La signification de base de l'écoulement interne

    À la base, le terme écoulement interne fait référence à des situations où le fluide est confiné par des limites solides. Ce scénario se produit couramment dans les systèmes où le fluide est transporté, comme les tuyaux, ou lorsque le comportement du fluide est manipulé, comme dans les pompes et les turbines. Comprendre l'écoulement interne est d'une importance vitale en ingénierie, en particulier lors de la conception et de l'optimisation des systèmes de fluides. Par exemple, en génie civil, les aspects de l'écoulement interne sont cruciaux lors de la construction de systèmes d'égouts. De même, les ingénieurs en mécanique analysent l'écoulement interne lorsqu'ils conçoivent des systèmes d'injection de carburant. Les deux fluides les plus courants dans les systèmes d'écoulement interne sont les gaz et les liquides. Chacun d'entre eux possède ses propres propriétés qui influencent les caractéristiques de l'écoulement, telles que la viscosité, la densité et la compressibilité.

    Gaz et liquides : Une vue d'ensemble

    \- Les gaz, tels que l'air ou la vapeur, ont une faible densité et une grande compressibilité. À des pressions plus élevées, leur volume peut diminuer de manière significative, ce qui a un impact sur la vitesse d'écoulement et la répartition de la pression. \N- Les liquides, tels que l'eau ou l'huile, ont une densité élevée et une faible compressibilité. Il est important de comprendre les principales différences entre les gaz et les liquides, ainsi que les effets de propriétés telles que la viscosité et la compressibilité, pour prévoir et gérer les systèmes d'écoulement internes. Cependant, les principes régissant l'écoulement interne sont généralement les mêmes, quel que soit le type de fluide.

    Principales caractéristiques de l'écoulement interne

    Le comportement de l'écoulement interne est affecté par plusieurs facteurs. Les plus importants sont la viscosité du fluide, la vitesse d'écoulement, la taille du conduit et la rugosité de la surface du conduit. Chacune de ces caractéristiques est essentielle dans l'étude de la mécanique et de l'ingénierie des fluides, car elles interagissent pour influencer le système d'écoulement global. Ces caractéristiques éclairent également la prise de décision, comme le choix du matériau des tuyaux, la conception de la pompe ou de la turbine, et la mise en œuvre de méthodes de contrôle du débit. Voici quelques caractéristiques cruciales de l'écoulement interne : La chute de pression indique les pertes d'énergie dans l'écoulement du fluide en raison de facteurs tels que le frottement des tuyaux. C'est un facteur important dans la conception des systèmes de fluides car il affecte directement l'efficacité et l'énergie nécessaire pour transporter le fluide.

    Prenons l'exemple d'une centrale hydroélectrique. L'objectif est de maximiser l'extraction d'énergie de l'eau qui s'écoule vers le bas de la colline. L'un des rôles clés de l'ingénieur serait de concevoir un système de tuyaux qui minimise la perte d'énergie - c'est-à-dire la chute de pression - dans l'environnement.

    Comprendre les couches limites, en plus de faire la distinction entre un écoulement turbulent et un écoulement laminaire, aide les ingénieurs à prédire avec précision le comportement des fluides. Enfin, le nombre de Reynolds, donné par la formule \[ Re = \frac{\rho VD}{\mu} \] où \(\rho\) est la densité du fluide, \(V\) la vitesse du fluide, \(D\) le diamètre hydraulique, et \(\mu\) la viscosité dynamique, est un nombre sans dimension qui aide à prédire le régime d'écoulement : laminaire, turbulent ou transitoire. C'est un facteur majeur dans l'étude de la dynamique des fluides et de la mécanique des écoulements internes. Dans le grand schéma de la mécanique des fluides, l'écoulement interne est un sujet fascinant et complexe. Il offre de nombreuses possibilités de compréhension et d'innovation en matière d'ingénierie et de technologie.

    Catégorisation de l'écoulement interne : laminaire et turbulent

    Le mouvement des fluides peut être très différent selon les circonstances, et c'est pourquoi il est catégorisé dans la mécanique des fluides. L'écoulement interne est principalement classé en deux catégories : Ces catégories sont fondamentalement divergentes dans leurs propriétés et leur comportement, et comprendre si un écoulement est laminaire ou turbulent est d'une importance vitale lors de la conception et de la modélisation des systèmes d'écoulement des fluides.

    Vue d'ensemble de l'écoulement laminaire interne

    L'écoulement laminaire, qui tire son origine du mot latin "lamina" signifiant couche, fait référence à un régime d'écoulement dans lequel les couches de fluide glissent doucement ou "en laminæ parallèles" les unes sur les autres. Dans ce type de mouvement, les particules de fluide se déplacent le long de trajectoires lisses en couches, chaque couche passant doucement devant les couches adjacentes avec peu ou pas de mélange. Dans le domaine de l'écoulement interne, il est essentiel de reconnaître et de comprendre l'écoulement laminaire. En effet, il s'agit souvent du mode de transport le plus efficace pour un fluide, avec une perte d'énergie minimale due au frottement. Il est toutefois important de souligner que l'obtention d'un écoulement laminaire dans des applications réelles, en particulier pour des débits élevés, peut s'avérer incroyablement difficile. Les principales caractéristiques de l'écoulement interne laminaire sont les suivantes :
    • Mouvement fluide régulier et ordonné avec un minimum de mélange
    • Faible perte d'énergie due à la friction
    • Prévisible et fortement dépendant des conditions initiales.
    Le nombre de Reynolds, un concept important en mécanique des fluides, détermine si un écoulement est laminaire ou turbulent. Si le nombre de Reynolds est inférieur à 2100, l'écoulement est généralement qualifié de laminaire. Rappelons que le nombre de Reynolds (\(Re\)) est défini comme suit : \[ Re = \frac{\rho VD}{\mu} \] où \(\rho\) représente la densité du fluide, \(V\) la vitesse du fluide, \(D\) le diamètre hydraulique, et \(\mu\) la viscosité dynamique.

    Comprendre l'écoulement interne turbulent

    À l'autre extrémité du spectre, nous avons l'écoulement turbulent. Contrairement à l'écoulement laminaire, l'écoulement turbulent se caractérise par un mouvement chaotique et irrégulier des fluides. La turbulence est couramment observée dans la nature, qu'il s'agisse des tourbillons d'une rivière ou des vents atmosphériques. En termes d'écoulement interne, la turbulence entraîne souvent une augmentation des pertes d'énergie en raison des mouvements erratiques et des mélanges. Cependant, elle entraîne également une augmentation des taux de transfert de masse et présente des avantages dans certains scénarios, comme dans les échangeurs de chaleur ou les réacteurs chimiques. Les principales caractéristiques de l'écoulement turbulent sont les suivantes :
    • Mouvement chaotique, aléatoire et complexe du fluide
    • Pertes d'énergie importantes dues à la friction et aux tourbillons
    • Augmentation des taux de transfert de masse et de chaleur
    Pour qu'un écoulement soit considéré comme turbulent, le nombre de Reynolds doit généralement être supérieur à 4000. Il convient de mentionner qu'entre un nombre de Reynolds de 2100 et 4000, l'écoulement peut être imprévisible et passer du laminaire au turbulent - on parle alors d'écoulement transitoire. Identifier si un écoulement sera laminaire ou turbulent est une étape fondamentale dans la conception et l'amélioration de l'efficacité des systèmes de fluides. Qu'il s'agisse de systèmes hydrauliques ou de systèmes de chauffage et de refroidissement dans les bâtiments, la catégorisation de l'écoulement comme laminaire ou turbulent est déterminante pour concevoir des conceptions et des solutions optimales.

    Exemples pratiques d'écoulement interne

    S'il est évident que l'écoulement interne est un concept fondamental de la mécanique des fluides, il est tout aussi important de reconnaître comment ce principe apparaît concrètement dans les applications du monde réel. En observant et en étudiant ces exemples, les élèves sont en mesure de mieux comprendre les concepts d'écoulement interne d'un point de vue théorique et de les appliquer à des scénarios pratiques.

    Exemples courants de flux interne dans le monde réel

    Il existe une pléthore de scénarios du monde réel où le flux interne est à l'œuvre. Comprendre ces exemples pratiques peut t'aider à mieux comprendre la pertinence de la mécanique des fluides dans notre vie quotidienne et dans des industries variées.

    - Systèmes de plomberie : L'un des exemples les plus courants d'écoulement interne se trouve dans les systèmes de plomberie que l'on trouve dans nos maisons et nos bâtiments. L'eau que nous utilisons pour boire, nous baigner et cuisiner circule dans des tuyaux, ce qui est un parfait exemple d'écoulement interne. Ici, la conception du système (par exemple, le diamètre et le matériau des tuyaux) s'appuie fortement sur les principes de l'écoulement interne pour assurer l'efficacité de l'acheminement de l'eau et de l'élimination des déchets.

    - Systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC) : Ces systèmes manipulent le flux d'air et de fluides dans les conduits et les tuyaux pour contrôler l'environnement interne des bâtiments. Du flux de réfrigérant dans les climatiseurs au transport de l'eau chaude dans les radiateurs, il s'agit dans tous les cas d'un flux interne.

    - Systèmes d'alimentation automobile : Dans une automobile, le carburant est transporté du réservoir au moteur par des tuyaux. La pompe, les injecteurs et les tuyaux sont tous conçus en tenant compte des caractéristiques de l'écoulement interne afin d'assurer une distribution et une combustion optimales du carburant.

    - Dispositifs médicaux : Les appareils tels que les cathéters, les gouttes intraveineuses et les ventilateurs respiratoires reposent sur les principes de l'écoulement interne. Par exemple, les gouttes intraveineuses (IV) utilisent la gravité pour créer une différence de pression, ce qui facilite l'écoulement interne des fluides médicaux de la goutte à la circulation sanguine du patient.

    Chacun de ces exemples utilise les principes et les caractéristiques de l'écoulement interne pour transporter, manipuler ou contrôler efficacement les fluides.

    Les effets de l'écoulement interne laminaire et turbulent dans divers exemples

    Comprendre comment les flux laminaires et turbulents affectent les applications du monde réel fait partie intégrante de la conception et de l'amélioration des systèmes qui impliquent un flux interne. Alors que l'écoulement laminaire est généralement plus prévisible et plus efficace, l'écoulement turbulent peut être bénéfique dans certaines situations. Prenons l'exemple d'un système de chauffage. Si l'écoulement de l'eau chaude dans les radiateurs est laminaire, le transfert de chaleur vers l'environnement risque d'être insuffisant car la couche d'eau la plus proche de la surface du radiateur agit comme un isolant. Dans ce cas, un écoulement turbulent est préférable, car il crée un meilleur mélange et donc des taux de transfert de chaleur plus élevés. Au contraire, dans un système de carburant automobile, il est crucial d'assurer un écoulement laminaire, en particulier dans l'injecteur de carburant. Si l'écoulement y est turbulent, cela peut entraîner des pulvérisations inégales de carburant qui se traduisent ensuite par une combustion inefficace et des émissions plus élevées. Dans ce cas, un flux laminaire est préférable en raison de sa prévisibilité et de sa fluidité. Un exemple intéressant impliquant à la fois un flux laminaire et turbulent est observé dans le système circulatoire de notre corps. Dans les grands vaisseaux sanguins tels que l'aorte, le flux sanguin est principalement turbulent en raison de la vitesse élevée du sang. Cependant, lorsque le sang se déplace dans des capillaires plus petits, où la vitesse d'écoulement est faible, il passe à un état d'écoulement laminaire qui est nécessaire pour un échange efficace d'oxygène, de nutriments et de déchets entre le sang et les tissus. À travers tous ces exemples de la vie réelle, tu peux observer comment la compréhension des écoulements laminaires et turbulents a un impact sur l'efficacité, la sécurité et l'efficience des systèmes. Ce n'est qu'en étudiant le flux interne que les ingénieurs et les scientifiques peuvent concevoir des modèles et des solutions pour ces diverses applications.

    Exploration des diverses applications de l'écoulement interne en ingénierie

    Le vaste domaine de l'ingénierie utilise la théorie de l'écoulement interne de nombreuses façons pour obtenir une myriade de résultats. Qu'il s'agisse de maintenir le confort thermique d'un bâtiment ou d'assurer l'efficacité aérodynamique d'un avion, le flux interne semble s'infiltrer dans tous les coins et recoins.

    Comment les mécanismes de flux interne sont utilisés dans les domaines de l'ingénierie

    L'écoulementinterne fait généralement référence à l'écoulement de fluides dans des espaces confinés, tels que l'écoulement à l'intérieur de tuyaux ou de conduits. En ingénierie, il devient pertinent lorsqu'il s'agit de systèmes qui impliquent le transport de fluides (par exemple, de l'eau ou du gaz) d'un point à un autre par le biais d'un pipeline, d'un conduit ou d'une autre structure fermée. On trouve des systèmes de ce type dans de nombreux domaines de l'ingénierie, notamment l'ingénierie civile, mécanique, chimique et biomédicale.

    En génie civil, l'écoulement interne est essentiel dans la conception de plusieurs systèmes d'infrastructure. Qu'il s'agisse de la canalisation d'évacuation des déchets d'un bâtiment, du système d'approvisionnement en eau d'une ville ou des systèmes d'irrigation avancés dans l'agriculture, tous utilisent les principes de l'écoulement interne pour leur fonctionnement. Pour le génie mécanique et aérospatial, l'écoulement interne est vital pour la conception des systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC), des systèmes d'alimentation en carburant des automobiles, et même pour l'analyse de l'écoulement de l'air sur les ailes des avions.

    Lorsqu'il s'agit de systèmes CVC, les ingénieurs utilisent les principes de l'écoulement interne pour concevoir des conduits et des canalisations afin que l'air conditionné ou les fluides de chauffage puissent être acheminés efficacement dans toute la structure.

    Legénie chimique s'appuie fortement sur la mécanique de l'écoulement interne pour concevoir des systèmes tels que les échangeurs de chaleur, les réacteurs chimiques et les colonnes de distillation. L'écoulement interne des fluides permet des calculs rigoureux sur le transfert de chaleur et de masse, la chute de pression et la turbulence, qui sont essentiels dans ces applications. En génie biomédical, la compréhension de l'écoulement interne aide à la création de dispositifs médicaux tels que les cathéters, les endoprothèses ou les dispositifs ventriculaires, où l'écoulement interne est prédominant. La modélisation de l'écoulement du sang dans nos artères ou de l'écoulement de l'air dans notre système respiratoire repose également sur les principes de l'écoulement interne.

    Études de cas : Applications de l'écoulement interne dans l'ingénierie quotidienne

    Approfondissons des études de cas spécifiques pour mieux illustrer l'impact du flux interne dans les applications pratiques de l'ingénierie.

    Étude de cas 1 : Systèmes d'approvisionnement en eau en génie civil : Considérons le système d'approvisionnement en eau d'une ville conçu par des ingénieurs civils. Le débit interne devient l'élément essentiel pour déterminer le diamètre et le matériau des tuyaux, ainsi que les besoins en énergie des pompes. Les ingénieurs doivent tenir compte des pertes de pression dues au frottement et aux raccords de tuyaux (en utilisant l'équation de Darcy), de la façon dont les changements de diamètre des tuyaux peuvent induire un écoulement laminaire ou turbulent (en utilisant le nombre de Reynolds), et du type de matériaux des tuyaux qui minimiseraient l'entartrage ou la corrosion, ce qui maintiendrait un écoulement interne efficace.

    Étude de cas 2 : système d'alimentation en carburant dans l'ingénierie automobile : Dans ce cas, les ingénieurs en mécanique utilisent souvent les principes de l'écoulement interne pour calculer le diamètre et le matériau idéal de la conduite de carburant afin d'assurer une bonne distribution du carburant tout en maximisant l'efficacité du carburant. Comprendre si l'écoulement dans l'injecteur de carburant est laminaire ou turbulent (en utilisant le nombre de Reynolds) peut avoir un impact profond sur l'atomisation et l'efficacité de la combustion du carburant. Cela peut même influencer les taux d'émission et les performances du véhicule.

    Étude de cas n° 3 : conception de cathéters en ingénierie biomédicale : La conception de ces dispositifs implique d'optimiser la faible résistance à l'écoulement (pour minimiser la douleur et l'inconfort), tout en garantissant une taille et une flexibilité appropriées à l'application. Ici, les ingénieurs utilisent les principes de l'écoulement interne pour analyser les conditions d'écoulement afin d'éviter les risques liés à l'écoulement turbulent ou à la formation de caillots sanguins.

    Ces études de cas montrent que les principes de l'écoulement interne sont incroyablement importants pour la conception et le fonctionnement de nombreux systèmes d'ingénierie. La compréhension scientifique et les outils informatiques qui permettent d'analyser et de prédire l'écoulement interne ont entraîné des progrès incroyables dans de nombreux domaines de l'ingénierie.

    Combler le fossé : de la compréhension à l'application

    Le passage de la compréhension théorique de l'écoulement interne à son application dans le monde réel comprend deux étapes principales. Dans un premier temps, il est essentiel de comprendre les concepts et principes clés de la mécanique des fluides et de l'écoulement interne. Cela constitue le socle de connaissances sur lequel tu peux commencer à appliquer ces principes à des scénarios pratiques. Deuxièmement, la traduction de cette compréhension en applications pratiques nécessite la capacité d'envisager des situations du monde réel en fonction de ces principes et d'appliquer efficacement des modèles ou des équations appropriés pour résoudre les problèmes rencontrés.

    Comment transférer ta compréhension de l'écoulement interne dans le monde réel ?

    Établir des liens entre les connaissances théoriques et les phénomènes physiques peut sembler difficile à première vue, mais il est possible d'y parvenir en suivant un processus systématique. Commence par comprendre clairement les principes de base du flux interne - ses caractéristiques, ses déterminants et ses méthodes de mesure. Des notions telles que le nombre de Reynolds, l'écoulement laminaire et turbulent ou le facteur de friction constituent la pierre angulaire de ta compréhension de base.

    Lenombre de Reynolds (Re ) est une grandeur sans dimension utilisée pour prédire le régime d'écoulement, qu'il soit laminaire, de transition ou turbulent. Il est donné par l'équation suivante

    \[ Re = \frac{{\rho u d }}{\mu} \] Ici, \( \rho \) indique la densité du fluide, \( u \) représente la vitesse d'écoulement, \( d \) représente le diamètre hydraulique et \( \mu \) signifie la viscosité dynamique. Avec une base solide, tu peux commencer à appliquer ces principes à des scénarios de tous les jours. Prenons l'exemple simple de l'eau qui s'écoule dans un tuyau d'arrosage. Si tu veux augmenter la vitesse d'écoulement de l'eau, tu peux soit augmenter la pression de l'eau, soit utiliser un tuyau de plus grand diamètre. Il s'agit d'une application directe des principes d'écoulement interne que tu as appris, en particulier l'équation de Hagen-Poiseuille qui décrit l'écoulement laminaire dans un tuyau cylindrique : \[ Q = \frac{{\pi d^4 \Delta p}}{{128 \mu L}} \] Où \( Q \) est le débit volumétrique, \( \Delta p \)est la différence de pression, \( d \)est le diamètre du tuyau, \( \mu \)est la viscosité du fluide, et \( L \)est la longueur du tuyau. Plus tu t'exerceras à appliquer ces principes à des scénarios réels, plus il te sera facile de visualiser et de comprendre comment fonctionne l'écoulement interne des fluides dans divers systèmes.

    Défis et solutions dans la mise en œuvre des concepts d'écoulement interne

    La mise en œuvre des concepts d'écoulement interne dans des situations réelles peut poser une série de défis. Il ne s'agit pas seulement de connaître les principes, mais de les utiliser intelligemment pour résoudre les problèmes.Complexité dans les scénarios du monde réel: Les connaissances théoriques supposent des conditions idéales comme un écoulement régulier, des propriétés constantes et une géométrie simple. Mais les situations réelles introduisent des variables telles que des propriétés d'écoulement variables, des géométries complexes et des transferts de chaleur.Solution : Acquiers de l'expérience avec des problèmes plus simples et passe progressivement à des situations complexes. Apprendre à utiliser des outils tels que les simulations de dynamique des fluides numériques (CFD) peut aider à traiter des géométries et des conditions d'écoulement complexes.Sélection du bon modèle ou de la bonne corrélation: Le modèle ou la corrélation spécifique à appliquer dépend du régime d'écoulement, de la géométrie du conduit et des propriétés du fluide. Une mauvaise application conduit souvent à des résultats incorrects.Solution : Réévalue toujours les principes fondamentaux avant de choisir un modèle. Passe en revue les hypothèses, les conditions et les contraintes sous lesquelles le modèle donne des résultats valides.Imprécisions de mesure : Les paramètres d'écoulement interne tels que la vitesse du fluide, la chute de pression ou la contrainte de cisaillement de la paroi sont souvent difficiles à mesurer avec précision. Les erreurs dans ces mesures peuvent affecter de manière significative tes prédictions ou tes calculs.Solution : Utilise des instruments fiables et précis pour les mesures. L'étalonnage régulier et la vérification des performances des instruments sont cruciaux. Une approche globale impliquant une compréhension approfondie, une application solide et des techniques de résolution de problèmes réfléchies peut grandement améliorer ta capacité à mettre en œuvre les concepts de flux interne et à surmonter tous les défis qui se présentent en cours de route.

    Débit interne - Principaux enseignements

    • L'écoulement interne fait référence à l'écoulement de fluides dans des espaces confinés tels que des tuyaux ou des conduits et joue un rôle important dans les domaines de l'ingénierie.
    • Le nombre de Reynolds, défini par la formule \( Re = \frac{\rho VD}{\mu} \), aide à prédire le régime d'écoulement (laminaire, turbulent ou transitoire) et est crucial dans l'étude de la dynamique des fluides et de la mécanique de l'écoulement interne.
    • Le mouvement des fluides peut être soit laminaire, lorsque les couches de fluides glissent doucement les unes sur les autres avec une perte d'énergie minimale, soit turbulent, lorsque le mouvement des fluides est chaotique, ce qui entraîne des pertes d'énergie plus importantes.
    • Les exemples d'écoulement interne dans les applications du monde réel comprennent les systèmes de plomberie, les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC), les systèmes d'alimentation en carburant des automobiles et les appareils médicaux.
    • Dans les domaines de l'ingénierie, les principes de l'écoulement interne sont utilisés pour diverses applications, notamment la conception de canalisations d'élimination des déchets, de systèmes d'approvisionnement en eau, d'échangeurs de chaleur et d'appareils médicaux, entre autres.
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    Questions fréquemment posées en Écoulement interne
    Qu'est-ce que l'écoulement interne en génie ?
    L'écoulement interne se réfère à la circulation de fluides à l'intérieur de conduits, comme les tuyaux, influençant la dynamique des fluides en génie.
    Pourquoi l'étude de l'écoulement interne est-elle importante ?
    Étudier l'écoulement interne est crucial pour optimiser les systèmes tels que les réseaux d'eau potable, les systèmes de refroidissement et les pipelines.
    Quels sont les principaux facteurs influençant l'écoulement interne ?
    Les facteurs clés incluent la viscosité du fluide, la vitesse de l'écoulement, et les caractéristiques du conduit, comme sa rugosité.
    Quels outils utilisent les ingénieurs pour analyser l'écoulement interne ?
    Les ingénieurs utilisent des outils comme la dynamique des fluides computationnelle (CFD) et des calculs basés sur les équations de Navier-Stokes.

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