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De nouveaux types de turbulences dans les fluides polymères

Les additifs de polymères changent radicalement la dynamique des écoulements de fluides. À l'aide de simulations, les scientifiques financés par l'UE et leurs collaborateurs ont découvert que l'interaction de l'inertie et l'élasticité dans les flux polymères peuvent conduire à un nouvel état de turbulence.
De nouveaux types de turbulences dans les fluides polymères
Les additifs polymères peuvent réduire considérablement la traînée dans les flux turbulents. Par exemple, dans les grands oléoducs, ils permettent d'atteindre une circulation plus fluide et, de là, un plus grand débit. Il existe toutefois une limite à la réduction possible de la traînée, appelée réduction maximale de la trainée. On observe l'effet inverse dans les microcanaux où la viscoélasticité introduite par les polymères crée des instabilités et un mouvement chaotique dans des flux qui seraient autrement lisses et réguliers.

Le projet VISCELTURBFLOW (Computational study of macro- and microscopic turbulence controlled by polymer additives), financé par l'UE, a été mis sur pied pour savoir où se déclenchait la réduction de traînée et d'où provenait sa limite maximale. En utilisant des techniques numériques, les scientifiques ont montré qu'un nouveau type de turbulence était impliqué.

Les collaborateurs de l'équipe de VISCELTURBFLOW ont démontré qu'un transfert d'énergie de l'énergie élastique polymère à l'énergie cinétique turbulente se déroulait à petite échelle. Cela nourrit la turbulence et empêche le flux de devenir totalement laminaire, pouvant expliquer la limite de réduction de la traînée.

Les scientifiques ont étudié en détail les interactions entre les instabilités inertielles et élastiques à différents nombres de Reynolds. Le nombre de Reynolds indique la contribution relative de l'inertie aux forces visqueuses. Leurs simulations ont montré que les polymères ajoutés causaient un retard dans la transition d'un flux lisse et laminaire à un écoulement turbulent chaotique. Toutefois, si une perturbation suffisamment grande est initialement introduite dans le flux, l'élasticité élevée favorise la transition et conduit à un débit chaotique auto-entretenu à des nombres de Reynolds sous-critiques.

Ce nouvel état a été nommé les turbulences élastico-inertielles (TEI). L'équipe de VISCELTURBFLOW a montré que les TEI existaient également en deux dimensions. Ils ont suggéré que les TEI représentent l'état de réduction de traînée maximale de l'écoulement dans la limite de l'élasticité très élevée.

Les résultats de VISCELTURBFLOW ont été présentés lors de plusieurs conférences. Les propriétés du nouveau type de turbulences ont été décrites dans une série d'articles publiés dans des revues percutantes évaluées par des pairs.

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Mots-clés

Polymères, visco-élasticité, turbulences élastico-inertielles (TEI), transition, VISCELTURBFLOW, nombre de Weissenberg, nombre de Reynold