Une collaboration entre l’Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) et l’Université polytechnique de Milan a permis de découvrir que lorsqu’un fluide est pompé dans un tuyau de manière intermittente, le coût du transport est considérablement réduit.
Dans leur étude de validation du concept, publiée récemment dans Scientific Reports, les chercheurs ont utilisé des simulations numériques pour montrer que, lorsqu’ils activent et désactivent périodiquement une pompe, l’écoulement du fluide passe constamment d’un état turbulent à un état laminaire. Cela a permis de réduire les coûts énergétiques jusqu’à 22 % – un chiffre qui, selon les chercheurs, peut encore être optimisé.
Les écoulements laminaires, comme ceux que l’on observe lorsqu’on ouvre lentement un robinet, sont lisses, profilés et économes en énergie. Les flux turbulents, en revanche, comme ceux que l’on observe lorsqu’un robinet coule à plein régime, sont chaotiques et gaspillent l’énergie.
« Si vous injectez de l’encre dans un écoulement laminaire, vous verrez une ligne claire d’encre se déplacer dans le tuyau, mais avec un écoulement turbulent, l’encre se diffuse car chaque particule de fluide prend un chemin imprévisible. Ce mouvement chaotique à petite échelle entraîne une grande perte d’énergie », explique Giulio Foggi Rota, premier auteur et actuel doctorant de l’unité « Fluides et écoulements complexes. « Les écoulements laminaires sont idéaux pour le transport des fluides, mais lorsque des fluides visqueux se déplacent rapidement et sur de grandes échelles, le système évolue naturellement vers un état turbulent.«
La réduction de la turbulence, et donc des coûts de déplacement des fluides dans les tuyaux, pourrait apporter de nombreux avantages économiques et environnementaux. Le transport des fluides représente une part importante du coût final du carburant. L’hydrogène liquide pourrait donc devenir moins cher pour les pays développés. Pour les pays en développement qui ne sont pas encore en mesure de passer à l’énergie verte, le pétrole et le gaz naturel pourraient devenir une alternative énergétique plus abordable que le bois de chauffage, dont l’utilisation contribue à la déforestation et produit des polluants plus nocifs que les combustibles fossiles.
Dans l’étude, les chercheurs ont créé un code qui, exécuté sur un puissant superordinateur, a permis de simuler un écoulement turbulent standardisé.
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Les scientifiques ont exécuté différents scénarios, en modifiant la durée d’activation de la pompe, l’intensité de la pompe (à quelle vitesse elle accélère le fluide) et la durée totale de chaque cycle de pompage.
Ils ont constaté que les cycles longs caractérisés par une pompe courte et intense qui accélère rapidement l’écoulement du fluide, puis une longue phase où la pompe est arrêtée et où le fluide ralentit, sont les plus efficaces pour maintenir le fluide dans un état laminaire pendant la plus longue période.
Pour la prochaine étape, les chercheurs veulent essayer de mieux comprendre la physique qui sous-tend la transition répétée entre les états turbulents et laminaires.
Si nous parvenons à mieux comprendre pourquoi le fluide se comporte comme il le fait en raison d’un pompage instable, nous serons alors beaucoup plus près de déterminer quelle est la stratégie de pompage optimale pour économiser le plus d’énergie possible », a déclaré le professeur Marco Edoardo Rosti, qui dirige l’unité des fluides et des flux complexes de l’OIST.
Crédit / OIST
