La méthode de suivi des fibres fournit de nouvelles connaissances importantes sur la turbulence


La méthode de suivi des fibres fournit de nouvelles connaissances importantes sur la turbulence

Les tourbillons et les tourbillons dans les écoulements turbulents se produisent une large gamme d’échelles. Crédit : Unité Fluides et écoulements complexes, OIST

Qu’il s’agisse de souffles cardiaques et de transport de pétrole dans des pipelines ou d’avions cahoteux et la propagation de polluants, les turbulences jouent un rôle important dans de nombreux événements quotidiens. Mais bien que cela soit courant, les scientifiques ne comprennent toujours pas pleinement le comportement apparemment imprévisible des tourbillons et des tourbillons dans les écoulements turbulents.

Aujourd’hui, dans le cadre d’une collaboration internationale entre des scientifiques de l’Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) au Japon, de l’Université de Gênes, en Italie, du KTH Stockholm, en Suède et de l’ETH Zurich, une nouvelle technique de mesure des écoulements turbulents a été développé, Suisse. En utilisant des fibres au lieu de particules – la méthode de mesure habituelle – les chercheurs ont pu obtenir une image plus détaillée des écoulements turbulents. Leur méthode a été rapportée dans le journal le 17 septembre, Vérification physique X.

« La est un phénomène très unique et compliqué, on l’a même appelé le dernier problème non résolu de la physique classique », a déclaré le Dr. Stefano Olivieri, Postdoc dans l’unité Fluides et écoulements complexes de l’OIST, qui était l’auteur de l’étude. « C’est difficile à prédire, difficile à simuler et difficile à mesurer. »

La mesure des écoulements turbulents est un défi urgent pour les physiciens pour plusieurs raisons. La turbulence n’est pas seulement caractérisée par sa nature chaotique et aléatoire, elle se produit également à plusieurs niveaux en même temps. Dans les écoulements turbulents, les tourbillons du liquide se désintègrent en tourbillons de plus en plus petits, jusqu’à ce que les tourbillons soient finalement si petits et visqueux que l’énergie cinétique du liquide est dégagée sous forme de chaleur dans l’environnement.

Actuellement, la méthode la plus courante de mesure des écoulements turbulents consiste à suivre le mouvement des particules, appelées traceurs, qui sont ajoutées au liquide. Ces particules sont minuscules et ont une densité similaire à celle du liquide et se déplacent donc à la même vitesse et dans le même sens que le flux.







Les chercheurs ont créé une simulation dans laquelle des fibres ont été ajoutées à un écoulement turbulent. Le mouvement des fibres a ensuite été utilisé pour extraire des informations sur le flux. Crédit : Unité Fluides et écoulements complexes, OIST

Mais pour voir comment chaque vortex fluide se déplace, il ne suffit pas de voir une particule se déplacer. Les physiciens doivent être capables de déterminer comment deux particules se déplacent à une certaine l’une de l’autre. Plus le vortex est petit, plus les deux particules doivent être proches pour caractériser le mouvement du vortex.

Pour rendre les choses encore plus difficiles, l’une des caractéristiques déterminantes de la turbulence est sa diffusivité – un écoulement turbulent se propage dans le temps, tout comme les traceurs, en particulier dans les courants ouverts comme un courant océanique. Dans de nombreux cas, les traceurs peuvent rapidement être trop éloignés pour mesurer le comportement des vertèbres.

« Chaque particule traceuse se déplace indépendamment les unes des autres, il faut donc beaucoup de particules traceuses pour trouver celles qui se trouvent à la bonne distance », explique le professeur Marco Rosti, qui dirige l’unité Fluides et flux complexes de l’OIST.

« Et trop de particules traceuses peuvent en fait perturber le flux », a-t-il ajouté.

Pour contourner ce problème, l’équipe de recherche a trouvé une solution innovante et simple au problème : l’utilisation de fibres au lieu de particules traceuses.

Les chercheurs ont créé une simulation informatique dans laquelle des fibres de différentes longueurs ont été ajoutées à un écoulement turbulent. Ces fibres étaient rigides, ce qui maintenait les extrémités de chaque fibre à une distance fixe les unes des autres. En suivant comment chaque fibre se déplaçait et tournait dans le liquide au fil du temps, les chercheurs ont pu créer une image qui englobe toute l’étendue et la structure de l’écoulement turbulent.

La méthode de suivi des fibres fournit de nouvelles connaissances importantes sur la turbulence

L’équipe de recherche de l’ETH Zurich a généré un écoulement turbulent dans un réservoir d’eau fermé et a suivi le mouvement des fibres. Image: ETH Zurich

« En utilisant des fibres rigides, nous pouvons mesurer la différence de vitesse et de direction du flux en deux points à une distance fixe et voir comment ces différences changent en fonction de la taille du vortex Le fluide est transféré de la plus grande à la plus petite , où elle est ensuite dissipée par la chaleur.Cette valeur, que l’on appelle le taux de perte d’énergie, est une variable décisive dans la caractérisation des écoulements turbulents », explique le Pr Rosti.

Les chercheurs ont également réalisé la même expérience en laboratoire. Ils fabriquaient deux fibres différentes, l’une en nylon et l’autre en un polymère appelé polydiméthylsiloxane. L’équipe a testé ces deux fibres en les plaçant dans un réservoir d’eau avec de l’eau turbulente et a constaté que les fibres donnaient des résultats similaires à la simulation.

Cependant, l’utilisation de fibres rigides entraîne une limitation importante, ont souligné les scientifiques, car le mouvement global des extrémités des fibres est restreint.

« En raison de la rigidité de la fibre, les extrémités des fibres ne peuvent pas se déplacer l’une vers l’autre, même si c’est la direction du flux. Cela signifie qu’une fibre ne peut pas représenter pleinement le mouvement du flux, comme c’est le cas avec les particules traceuses », a expliqué le Dr. Olivieri. « Avant de commencer avec des simulations ou des expériences en laboratoire, nous devions d’abord développer une théorie appropriée qui prenne en compte ces restrictions de mouvement. C’était peut-être la partie la plus difficile du projet. »

Les chercheurs ont mesuré le même écoulement turbulent en laboratoire de manière conventionnelle en ajoutant une forte concentration de particules traceuses dans le réservoir d’eau. Les résultats des deux méthodes différentes étaient similaires et ont confirmé que la méthode des fibres et la théorie nouvellement développée fournissaient des informations précises.

À l’avenir, les chercheurs espèrent étendre leur méthode pour inclure des fibres flexibles qui ont moins de restrictions de mobilité. Ils prévoient également de développer une théorie qui peut aider à mesurer la turbulence dans des fluides non newtoniens plus complexes qui se comportent différemment de l’eau ou de l’air.

« Cette nouvelle technologie a beaucoup de potentiel passionnant, en particulier pour les scientifiques qui étudient la turbulence dans les grands courants ouverts tels que les courants océaniques », a déclaré le professeur Rosti. « Et la capacité de mesurer facilement des variables qui étaient auparavant difficiles d’accès nous rapproche un peu plus d’une compréhension complète de la turbulence. »


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Plus d’information:
Stefano Bizzolara et al., Fibre Tracking Velocimetry for Two-Point Statistics of Turbulence, Vérification physique X (2021). DOI : 10.1103 / PhysRevX.11.031060

Fourni par l’Institut des sciences et technologies d’Okinawa

Citation: La méthode de suivi des fibres fournit de informations importantes sur la turbulence (2021, 17 septembre), consultée le 17 septembre 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-09-fiber-tracking-method-important-insights.html

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