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Une équation de conservation , dans diverses disciplines de la physique , est, pour une quantité conservée dans son déplacement, une équation reliant sa variation dans le temps (typiquement la masse , la charge , la quantité de mouvement , l'énergie ) à sa variation dans l'espace.
On peut définir une loi de conservation pour une variable conservative (extensive )
Φ
{\displaystyle \Phi }
(de densité
ϕ
{\displaystyle \phi }
) entraînée à la vitesse
v
→
{\displaystyle {\vec {v}}}
en utilisant le théorème de transport de Reynolds sur un domaine de contrôle
V
{\displaystyle V}
d'enveloppe
∂
V
{\displaystyle \partial V}
sur laquelle on définit la normale sortante
n
→
{\displaystyle {\vec {n}}}
d
d
t
∫
V
ϕ
d
V
+
∫
∂
V
ϕ
v
→
⋅
n
→
d
A
=
∫
V
S
d
V
{\displaystyle {\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} t}}\int _{V}\phi \ \mathrm {d} V+\int _{\partial V}\phi \,{\vec {v}}\cdot {\vec {n}}\ \mathrm {\mathrm {\mathrm {d} } } A=\int _{V}S\ \mathrm {d} V}
Cette équation de bilan dit que la variation dans le volume de référence (premier terme dans l'équation) est égal à ce qui sort ou ce qui rentre (deuxième terme) plus ce qui est créé ou disparaît dans le volume au travers du terme S pris positif dans le cas de la production.
En appliquant le théorème de flux-divergence , le terme surfacique est transformé en un terme volumique :
d
d
t
∫
V
ϕ
d
V
+
∫
V
∇
→
⋅
(
ϕ
v
→
)
d
V
=
∫
V
S
d
V
{\displaystyle {\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} t}}\int _{V}\phi \ \mathrm {d} V+\int _{V}{\vec {\nabla }}\cdot (\phi \,{\vec {v}})\ \mathrm {d} V=\int _{V}S\ \mathrm {d} V}
et par application de la règle de Leibniz
∫
V
∂
ϕ
∂
t
d
V
+
∫
V
∇
→
⋅
(
ϕ
v
→
)
d
V
=
∫
V
S
d
V
⇒
∫
V
[
∂
ϕ
∂
t
+
∇
→
⋅
(
ϕ
v
→
)
−
S
]
d
V
=
0
{\displaystyle \int _{V}{\frac {\partial \phi }{\partial t}}\ \mathrm {d} V+\int _{V}{\vec {\nabla }}\cdot (\phi \,{\vec {v}})\ \mathrm {d} V=\int _{V}S\ \mathrm {d} V\qquad \Rightarrow \qquad \int _{V}\left[{\frac {\partial \phi }{\partial t}}+{\vec {\nabla }}\cdot (\phi \,{\vec {v}})-S\ \right]\mathrm {d} V=0}
Cette expression est valide quel que soit le volume de référence. Elle implique donc que l'intégrande soit nul :
∂
ϕ
∂
t
+
∇
→
⋅
(
ϕ
v
→
)
=
S
{\displaystyle {\frac {\partial \phi }{\partial t}}+{\vec {\nabla }}\cdot (\phi \,{\vec {v}})=S}
Cette dernière expression constitue l'équation de conservation de
Φ
{\displaystyle \Phi }
.
On peut être amené a écrire l'équation de conservation dans un repère noté
ξ
{\displaystyle \xi }
entraîné à la vitesse
v
→
{\displaystyle {\vec {v}}}
, donc défini par
∂
x
→
∂
t
=
v
→
{\displaystyle {\frac {\partial {\vec {x}}}{\partial t}}={\vec {v}}}
L'accélération de ce système est donné par la dérivée particulaire
D
ϕ
D
t
=
∂
ϕ
∂
t
|
ξ
=
∂
ϕ
∂
t
|
x
+
v
→
⋅
∇
→
ϕ
{\displaystyle {\frac {\mathrm {D} \phi }{\mathrm {D} t}}\,=\left.{\frac {\partial \phi }{\partial t}}\right|_{\xi }=\left.{\frac {\partial \phi }{\partial t}}\right|_{x}+{\vec {v}}\cdot {\vec {\nabla }}\phi }
En tenant compte de l'expression de la conservation en coordonnées fixes (dites eulériennes) il vient
D
ϕ
D
t
=
S
−
∇
→
⋅
(
ϕ
v
→
)
+
v
→
⋅
∇
→
ϕ
=
S
−
ϕ
∇
→
⋅
v
→
{\displaystyle {\frac {\mathrm {D} \phi }{\mathrm {D} t}}\,=S-{\vec {\nabla }}\cdot (\phi \,{\vec {v}})+{\vec {v}}\cdot {\vec {\nabla }}\phi =S-\phi {\vec {\nabla }}\cdot {\vec {v}}}
On réécrit cette équation sous une forme analogue à celle utilisée pour un système fixe
D
ϕ
D
t
+
ϕ
∇
→
⋅
v
→
=
S
{\displaystyle {\frac {\mathrm {D} \phi }{\mathrm {D} t}}+\phi {\vec {\nabla }}\cdot {\vec {v}}=S}