La construction de gratte-ciel sûrs et le brassage de tasses de café ont quelque chose en commun : tous deux impliquent un phénomène connu sous le nom d’« écoulement turbulent » qui, dans ces cas, est le mouvement des particules d’air autour d’une tour ou d’un liquide autour d’une cuillère. Aujourd’hui, à l’aide de caméras de pointe, des ingénieurs en mécanique de la KAUST ont découvert des modèles inattendus dans cet écoulement apparemment chaotique dans certaines conditions. Leurs découvertes pourraient contribuer à améliorer la construction des avions et des véhicules sous-marins, ainsi que l’efficacité de l’écoulement dans les canalisations et les équipements industriels.
L’Arabie saoudite construit actuellement la Jeddah Tower, qui devrait être la structure la plus haute du monde avec une hauteur d’un kilomètre. « Il est essentiel pour le confort et la sécurité de comprendre comment les turbulences du vent ébranleront la Jeddah Tower », commente Sigurdur Thoroddsen, de KAUST. « Les flux turbulents régissent également les régimes météorologiques et les mélanges dans les courants océaniques et les flux fluviaux. »
Les physiciens ont passé près d’un siècle à étudier la manière dont les tourbillons sont générés lorsque des fluides se déplacent dans des tuyaux et autour d’objets. Jusqu’à présent, ils pensaient que ces tourbillons étaient générés de manière chaotique et qu’il était donc impossible de prédire avec précision leur comportement ou de les atténuer à l’avance. Mais dans une nouvelle étude, Thoroddsen et ses collègues Abdullah Alhareth, Vivek Mugundhan et Kenneth Langley ont découvert des modèles inattendus dans leur longueur, leur occurrence et leur alignement.
L’équipe a utilisé quatre caméras à grande vitesse et des lasers pulsés pour créer une carte 3D précise des microparticules fluorescentes ajoutées à l’eau, alors que le liquide était pompé d’un réservoir de 500 litres à travers un tunnel d’environ 3 mètres de long, qui se rétrécissait sur toute sa longueur. « Nous avons suivi simultanément la position et la vitesse d’environ 200 000 particules pour reconstruire les tourbillons », indique M. Alhareth. « L’expérience a nécessité une énorme quantité de mémoire informatique et environ six jours de temps de superordinateur pour analyser chaque ensemble de données. »
L’équipe a découvert des structures tourbillonnaires répétitives, alignées avec le flux, qui étaient étirées et tournaient rapidement. « Cela ressemble à la façon dont les patineurs artistiques en rotation tournent plus vite lorsqu’ils ramènent leurs bras vers leur corps », explique M. Thoroddsen. « Nous avons été surpris par l’importance de ces tourbillons, leur fréquence d’apparition, la rapidité avec laquelle ils se forment et leur durée de vie. »
Alhareth est nommé conjointement à la King Abdulaziz City for Science and Technology, et ce partenariat avec la KAUST lui a permis d’étendre sa compréhension de l’écoulement de l’eau à l’écoulement de l’air. « Cela m’a donné l’occasion d’envisager des applications aérospatiales de nos résultats sur la turbulence par rapport à ceux obtenus dans une soufflerie », explique M. Alhareth. « Les résultats pourraient ainsi améliorer la modélisation des écoulements turbulents dans les domaines de l’aérodynamique, de la combustion, des applications sous-marines et spatiales », ajoute-t-il.
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Selon Mugundhan, la prédiction de la formation des tourbillons permettra également de concevoir des dispositifs d’ingénierie propres et efficaces pour un environnement durable. « Les tourbillons peuvent améliorer le mélange et accroître le transport de la chaleur, ou ils peuvent augmenter les pertes de charge le long d’un tuyau, ce qui nécessite un pompage plus important », explique-t-il. « Notre travail aidera les gens à modéliser les domaines dans lesquels ils peuvent améliorer les performances grâce aux tourbillons et à anticiper les domaines dans lesquels les tourbillons constituent un obstacle. »
Légende illustration : À l’aide de caméras à grande vitesse, les chercheurs de la KAUST ont suivi le mouvement de 200 000 particules, révélant que les tourbillons se forment dans des structures répétitives alignées sur le flux, plutôt que de manière chaotique. 2024 KAUST.
Alhareth, A.A., Mugundhan, V., Langley, K.R., Thoroddsen, S.T. Coherent turbulent structures in a rapid contraction. Journal of Fluid Mechanics 1000:A63 (2024). DOI : 10.1017/jfm.2024.859
Source : Kaust – Traduction Enerzine.com
