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Envoyer un voleur pour attraper un voleur: apprendre de la nature pour comprendre les écoulements turbulents multi-échelles

On a démontré que l'ombre des arbres est plus efficace qu'une ombre «normale», grâce à leur porosité fractale qui crée une convection efficace pour le refroidissement. Le projet MULTISOLVE, financé par l'UE, a exploité certains secrets de la nature pour une nouvelle catégorie d'écoulements turbulents.
Envoyer un voleur pour attraper un voleur: apprendre de la nature pour comprendre les écoulements turbulents multi-échelles
Pour assurer un développement durable, il est urgent de mettre au point de nouvelles techniques pour que nos produits et procédés de fabrication soient à la fois efficaces et respectueux de l'environnement. Pour réaliser ces innovations indispensables, la conception joue un rôle essentiel car elle permet d'optimiser l'utilisation de l'énergie et de réduire les émissions polluantes. Façonnée par les forces de l'évolution, la nature fournit heureusement aux concepteurs des modèles dont ils peuvent s'inspirer.

Le projet MULTISOLVE, financé par l'UE, a étudié de façon précise les mécanismes naturels, et en particulier les géométries fractales, et s'en est inspiré pour créer une nouvelle catégorie d'écoulements turbulents multi-échelles. Ce qui rend ces résultats particulièrement importants, c'est qu'ils ont des applications dans un grand nombre de secteurs industriels tels que le mélange, l'aéronautique, l'automobile, la production d'énergie et l'ingénierie éolienne.

La puissance des fractales

Au cours de la dernière décennie, les chercheurs ont démontré l'intérêt des géométries fractales pour contrôler la turbulence et les écoulements. Le professeur Christos Vassilicos, membre de l'équipe du projet MULTISOLVE et ardent partisan de cette approche, explique que «pour dire les choses simplement, les écoulements turbulents ont eux-mêmes une nature fractale et le principe sous-jacent est d'envoyer un voleur pour attraper un voleur. Partout dans la nature, on peut observer l'effet de la géométrie fractale sur les écoulements. Le fait de mieux comprendre ce phénomène nous permet de nous en inspirer et d'en retirer des avantages.» En utilisant cette méthodologie, l'équipe a pu démontrer à la fois par l'expérience et par l'informatique (par la modélisation) qu'il est possible de générer une turbulence sur mesure pour améliorer l'efficacité d'un grand nombre de processus.

L'un des domaines d'utilisation les plus prometteurs concerne l'amélioration des mélanges. Il s'agit d'un domaine important car, comme le souligne le professeur Vassilicos, «les individus ne réalisent pas à quel point les procédés de mélangeage sont omniprésents dans l'industrie, qu'il s'agisse des réacteurs chimiques, des réacteurs biologiques ou de la combustion. Leur gamme d'utilisations est très étendue et nous dépendons fortement de leur efficacité, que ce soit en termes de consommation d'énergie, de qualité du mélange, de rapidité et de coût.»

Alors que MULTISOLVE était essentiellement axé sur les écoulements turbulents dans l'air et l'eau, ses travaux ont débouché sur des développements ultérieurs (dans un autre projet) relatifs aux fluides viscoélastiques (comme le chocolat), qui ont montré que des pales mélangeuses conçues selon des principes fractals réduisent de moitié le temps de mélangeage. La durée de la production impactant directement sur les coûts, cette avancée technologique a suscité un intérêt considérable de la part de l'industrie.

Une autre application intéressante concerne la conception de pales fonctionnant dans des courants aériens, comme les éoliennes qui produisent de plus en plus d'électricité en Europe. Pour préserver leur robustesse, les bords de fuite des pales ne peuvent avoir une épaisseur nulle, car cela affaiblirait la pale à l'endroit où elle interagit avec l'axe, la déformant et générant ainsi plus de traînée. Pour résoudre ce problème, l'industrie raccourcit souvent la pale, ce qui augmente la résistance au vent et réduit l'efficacité.

Comme l'explique le professeur George Papadakis, la solution proposée par MULTISOLVE consistait à «utiliser la conception fractale pour onduler le bord de fuite. Cela permet de réduire la résistance au vent et donc d'améliorer l'efficacité tout en préservant la robustesse de la pale.» On a également montré que la conception fractale réduit la pollution sonore, ce qui est particulièrement intéressant pour les ailes d'avion. Il est essentiel d'indiquer que l'approche de MULTISOLVE ne nécessite qu'un réaménagement des différentes pièces concernées.

Pour commercialiser cette technique, l'équipe de MULTISOLVE se concentre désormais sur un nombre limité d'applications afin d'effectuer des tests à l'échelle, d'une manière pertinente pour l'industrie. Mais comme l'explique le professeur Vassilicos, le passage du laboratoire au marché comporte ses propres problèmes: «Le délai entre la recherche universitaire, qui est en général plus générique, et des applications industrielles spécifiques, peut s'étendre sur plusieurs années car les industries sont soumises à de nombreuses contraintes socioéconomiques. Mais si nous respectons mutuellement nos différences, nous pourrons collaborer pour réaliser des innovations concrètes.

Thèmes

Life Sciences

Mots-clés

MULTISOLVE, écoulement turbulent, nanotechnologie, éoliennes, pales de mélange industriel, ailes d'avion, ailettes, conception fractale, production d'énergie, transfert de chaleur, fluides viscoélastiques