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Turbulence

Introduction

Tourbillon et turbulences dans une rivière

La turbulence désigne l'état d'un fluide, liquide ou gaz, dans lequel la vitesse présente en tout point un caractère tourbillonnaire : tourbillons dont la taille, la localisation et l'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;) varient constamment. Les écoulements turbulents se caractérisent donc par une apparence très désordonnée, un comportement difficilement prévisible et l'existence de nombreuses échelles spatiales et temporelles. De tels écoulements apparaissent lorsque la source d'énergie cinétique qui met le fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont des fluides peu...) en mouvement est relativement intense devant les forces de viscosité que le fluide oppose pour se déplacer. À l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x = 1, si 1...), on appelle laminaire le caractère d'un écoulement régulier. La découverte et l'étude des turbulences est très vieille, elle a été faite par Léonard de Vinci.

Théorie

Le comportement complexe des écoulements turbulents est la plupart du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) abordé par la voie statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le...). On peut ainsi considérer que l'étude de la turbulence (La turbulence désigne l'état d'un fluide, liquide ou gaz, dans lequel la vitesse présente en tout point un caractère tourbillonnaire :...) fait partie de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique...) statistique. Pour traduire le fait que, dans un écoulement, les forces d'inertie (L'inertie d'un corps découle de la nécessité d'exercer une force sur celui-ci pour modifier sa vitesse (vectorielle). Ainsi, un corps immobile ou en mouvement rectiligne uniforme (se...) l'emportent sur les forces de viscosité, un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de Reynolds convenablement choisi doit être supérieur à un certain seuil. Pour l'étude des turbulences en milieu naturel, il est préférable d'utiliser le nombre de Richardson plutôt que celui de Reynolds, car ce dernier considère la densité du fluide comme constante, ce qui n'est pas vrai dans le cas des fluides compressibles.

Une propriété classiquement mise en avant d'un écoulement turbulent (Le HMS Turbulent (n° de coque : S 87) est un bâtiment de la classe Trafalgar de sept sous-marins nucléaires d'attaque de la...) réside dans un processus appelé cascade d'énergie : la division (La division est une loi de composition qui à deux nombres associe le produit du premier par l'inverse du second. Si un nombre est non nul, la fonction "division par ce nombre"...) des grands tourbillons en tourbillons plus petits permet un transfert d'énergie des grandes échelles vers les petites échelles. Ce processus est limité par l'effet de la dissipation moléculaire, qui empêche les variations de vitesse (On distingue :) trop importantes. En pratique, ce transfert d'énergie n'est pas à sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant...) unique, le phénomène d'appariement tourbillonnaire (en anglais backscatter) permettant le transfert ponctuel (En géométrie, un point est le plus petit élément constitutif de l'espace de travail.) de petites structures tourbillonnaires (qui fusionnent) vers une ou des plus grosses.

La physique des turbulences est en plein essor grâce à la généralisation des instruments de mesure (comme les free falling profilers ou les sondes à effet Doppler-Fizeau (L'effet Doppler-Fizeau est le décalage entre la fréquence de l'onde émise et de l'onde reçue lorsque l'émetteur et le récepteur sont en mouvement l'un par rapport à l'autre ; il...) pour l'étude des turbulences en milieu aquatique), et à la réduction progressive des coûts de ceux-ci. Depuis les années 1970, la mécanique des fluides numérique permet aux chercheurs d'étudier la turbulence, principalement en utilisant une approche de simulation numérique directe.

Effets

La turbulence augmente la traînée des objets en mouvements pour des nombres de Reynolds élevés. Cependant, provoquer la turbulence peut retarder le décollement de la couche limite (La couche limite est une zone d'interface entre un corps et le fluide environnant lors d'un mouvement relatif entre les deux. On y observe les effets de la...) et de ce fait diminuer le coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain objet, comme une variable (par exemple, les coefficients...) de traînée (par exemple : combinaisons des nageurs munies d'écailles pour provoquer la turbulence sur la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière...), balles de golf non lisses, turbulateurs sur les avions).

Dans le domaine de la météorologie, la turbulence explique les variations des courants marins et des vents atmosphériques. Elle est aussi étudiée en aéronautique (jets des réacteurs, chambres de combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la combustion est vive, elle se traduit par une flamme voire une explosion.), sillages des aubes et compresseurs, etc.), dans l'industrie chimique (efficacité considérable du processus de mélange turbulent), ainsi qu'en acoustique (L’acoustique est une branche de la physique dont l’objet est l’étude des sons et des ondes mécaniques. Elle fait appel aux phénomènes ondulatoires et à la mécanique vibratoire.), en géophysique, etc.

En astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer leur origine, leur évolution, leurs propriétés physiques et chimiques. Elle ne doit pas être confondue avec la...) la turbulence atmosphérique est le frein (Un frein est un système permettant de ralentir, voire d'immobiliser, les pièces en mouvement d'une machine ou un véhicule en cours de déplacement.) majeur aux observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et...) effectuées depuis la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre...). Elle a pour effet de disperser la lumière de façon fluctuante et aléatoire. Les dispositifs d'optique adaptative (L'optique adaptative est une technique qui permet de corriger en temps réel les déformations évolutives et non-prédictives d'un...) permettent de compenser en partie ces distorsions parasites.

Tourbillon marginal (Marginal (sous-titrée Anthologie de l'imaginaire) est une collection des éditions OPTA, vouée aux anthologies thématiques de science-fiction.) (turbulence) d'une aile d'avion (Un avion, selon la définition officielle de l'Organisation de l'aviation civile internationale (OACI), est un aéronef plus lourd que l'air, entraîné par un organe moteur (dans le...)
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