Une étude montre que les turbulences dans les canalisations disparaissent avec le temps
Des scientifiques d'Allemagne et des Pays-Bas ont démontré que, contrairement à ce que l'on pensait, l'état de perturbation observé dans les liquides et les gaz lorsqu'ils s'écoulent très rapidement n'est pas permanent. L'étude établit, avec une exactitude sans précédent, que les perturbations du flot dans les canalisations disparaissent avec le temps. Les résultats ont été publiés dans la revue Physical Review Letters. Le domaine de la dynamique des fluides décrit la turbulence comme un état chaotique soumis à des changements aléatoires. Un écoulement qui n'est pas turbulent mais plutôt stationnaire est appelé écoulement «laminaire». À mesure que la vitesse augmente, une transition a lieu, à un moment donné, et l'écoulement laminaire devient turbulent. Cette transition est dans une certaine mesure gouvernée par les forces intérieures des molécules impliquées dans ce processus; en effet, lorsque les forces d'accélération sont plus puissantes que les forces intérieures qui relient les molécules, cela provoque des remous et de l'instabilité. Ainsi, des tourbillons se forment et ralentissent l'écoulement. La vitesse est le principal facteur à l'origine de la turbulence, mais la taille de l'objet en question ainsi que la viscosité jouent un rôle non négligeable. Jusqu'à présent, les scientifiques avaient émis l'hypothèse selon laquelle une fois la turbulence atteinte, l'écoulement restait constant à partir du moment où la vitesse était maintenue. Néanmoins, une étude menée par le Dr Björn Hof de l'Institut Max Planck de dynamique et d'auto-organisation en Allemagne a contredit, preuve à l'appui, cette théorie. La turbulence réduit l'efficacité énergétique dans des équipements tels que les conduits, les canalisations et les turbines à gaz. La réduction de la turbulence est par conséquent un domaine très étudié. «L'écoulement turbulent consomme plus d'énergie que l'écoulement laminaire», explique le Dr Hof. «Il est donc contraignant dans de nombreuses applications, notamment les oléoducs.» L'équipe de recherche a provoqué des remous dans de l'eau s'écoulant dans une canalisation en verre d'un mètre de long et de diamètre variable, en utilisant une hauteur géodésique constante. Les scientifiques ont également opposé une résistance constante en vue d'éviter les forces de traînée causées par le flot, et la température a été stabilisée afin d'éviter tout changement dans la viscosité. Ils ont par la suite suivi le mouvement du «souffle de la turbulence» jusqu'au bout de la canalisation et calculé la probabilité de voir le souffle arriver à l'autre extrémité de la canalisation ou de se stabiliser. La vitesse des souffles a été mesurée au moyen de l'anémométrie laser à effet Doppler. Les chercheurs ont ainsi pu interpréter le «taux de décroissance» de la turbulence avec une exactitude sans précédent. «Afin de distinguer une turbulence qui se stabilise d'une turbulence qui a une très longue durée de vie, nos mesures devaient être extrêmement précises», explique le Dr Hof. «Elles montrent que chaque écoulement turbulent se produisant dans une canalisation se transforme inévitablement en un écoulement laminaire.» La transition est loin d'être rapide (étant donné qu'elle dépend de la forme de la canalisation, cela peut prendre des années), mais elle est inéluctable. La description complète et précise de la turbulence représente l'un des défis les plus intéressants auquel les sciences physiques soient confrontées. L'étude actuelle représente un progrès dans ce domaine, même si elle ne s'est pas penchée sur la turbulence à l'extérieur des canalisations. En se basant sur leurs connaissances, les scientifiques pensent qu'il serait possible de réduire la durée de la turbulence dans les canalisations, ce qui permettrait de faire des économies considérables d'énergie.
Pays
Allemagne, Pays-Bas