Débit (physique)

Débit
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Le débit est le volume transmis par unité de temps.

Unités SI m3s-1
Dimension L3·T-1
Nature Grandeur de flux extensive
Expressions

Un débit permet de mesurer le flux (volumique) d'une quantité relative à une unité de temps au travers d'une surface quelconque. Son unité dérivée du SI est le mètre cube par seconde (m3/s).

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

Plus généralement, le débit peut désigner le flux d'une grandeur quelconque à travers une surface donnée.

Différents aspects du débit en physique

Le débit peut mesurer, par exemple, la quantité liquide (notamment l'eau des fleuves et rivières, voir débit 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 conditions normales de température et de pression (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 ou (n)m3/h : "normo" m3/h, la seconde notation est à privilégier car dans le Système International, "N" signifie "Newton". La notation "(n)" montre qu'il ne s'agit pas d'une unité ou d'un préfixe multiplicateur) pour des circuits particuliers dont on veut un débit régulier quelles que soient les conditions barométriques et thermiques du milieu. Par exemple les circuits 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.

Applications industrielles

Dans l'industrie, de nombreuses applications requièrent l'utilisation d'un débitmètre afin de mesurer :

  • l'air
  • le gaz
  • l'eau

Suivant les applications, la grandeur à mesurer (petite ou grande valeur de débit), on peut utiliser un débitmètre :

  • électronique
  • à diaphragme (débit déduit de la différence de pression en amont et aval d'un diaphragme)
  • à palette
  • à turbine (débit déduit de la vitesse de rotation d'une turbine placée dans le flux du fluide à mesurer)
  • à ultrason (débit déduit de la différence de vitesse de propagation du son dans le fluide à mesurer, la vitesse est mesurée alternativement dans les deux sens du débitmètre)

Unités

Les unités employées sont les suivantes :

Débit volumique

Système métrique

  • mètre cube par seconde (m3/s) (unité dérivée du Système international)
  • mètre cube par minute (m3/min)
  • mètre cube par heure (m3/h)
  • litre par seconde (l/s)
  • litre par minute (l/min)
  • litre par heure (l/h)

Système impérial

  • cubic feet per second (ft3/s)
  • gallons par jour (gpd)
  • gallons par minute (gpm)
  • cubic feet per minute (cfm)
  • imperial gallons per day (gpd)
  • imperial gallons per minute (gpm)

Autres unités

Débit volume linéique

Expression générale du débit

Le flux d'une quantité à travers la surface est le flux du champ de vecteur ramène 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 est la masse volumique du matériau qui traverse la surface à la vitesse . Le débit volumique est simplement le flux du champ de vitesse.

  • Débit massique en kg/s

  • Débit volumique en m3/s


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

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

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 bonne consigne de conduite !). Comme vu plus haut, le flux ou débit de véhicules s'écrit est le nombre de véhicules par unité de volume. Ainsi est le nombre de véhicules par unité de longueur soit, pour des véhicules de l'ordre de 4 m de longueur, = 1/(10+4) = 0,071 par mètre. La vitesse en m/s est = 90/3,6 = 25 m/s. Le flux ou débit de véhicule maximum est donc = 1,78 véhicule/s.

  • Débit de dose absorbée


  • Débit d'énergie en J/s

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

Débit pour un écoulement uniforme

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

 en  m3/s ([v] = m·s-1 = m/s et [S] = m2)

Cette expression simplifiée découle bien de l'expression générale quand et que , constante sur la section, peut sortir de l'intégrale.

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


   en  kg/s ([ρ] = kg/m3 , [v] = m·s-1 = m/s et [S] = m2)

Cas d'un écoulement non uniforme : définition de la vitesse débitante

Lorsque la vitesse n'est pas constante sur la section, on peut toutefois définir la vitesse moyenne :

Cette intégrale étant le débit volumique, la relation introduite ci-dessus fait intervenir la vitesse moyenne . On parle alors de vitesse débitante.

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