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Posté par Redbran le Lundi 20/11/2017 à 12:00
Des particules magnétiques pour étudier la turbulence
Pour engendrer de la turbulence dans un fluide, des chercheurs du laboratoire Matière et systèmes complexes y introduisent des particules contrôlés à distance par un champ magnétique. Ce dispositif a permis de montrer que la dissipation d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) est proportionnelle au nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de particules et à l'intensité du champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée...). Les résultats sont publiés dans la revue Physical Review Fluids (Rapid Communication).


© MSC
Mouvements désordonnés et aléatoires de particules magnétiques centimétriques au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale...) d'un récipient, en réponse à un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique alternatif.

Lors de l'écoulement rapide d'un 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 compressibles. Dans...), la turbulence (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 varient...) joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement...) un rôle crucial dans les transferts d'énergie, de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) ou de concentration de contaminants dans le fluide. Or, ce phénomène d'écoulement désordonné est encore mal compris par les physiciens. Pour étudier expérimentalement la turbulence, les chercheurs injectent généralement de l'énergie dans le fluide à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et qui emporte une échelle escamotable de grande hauteur. Le terme...) et de manière déterministe, par exemple avec une hélice (Hélice est issu d'un mot grec helix signifiant « spirale ». Un objet en forme d'hélice est dit hélicoïdal.). Des chercheurs du laboratoire Matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état...) et systèmes complexes (MSC, CNRS/ Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin...) Diderot), en introduisant des particules magnétiques dans un récipient contenant de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.), ont trouvé le moyen de créer de la turbulence à petite échelle de manière aléatoire dans le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) et l'espace, afin d'étudier notamment les propriétés des grandes échelles de l'écoulement (c'est-à-dire les échelles plus grandes que celle où a lieu l'injection (Le mot injection peut avoir plusieurs significations :) d'énergie).

Les chercheurs ont fabriqué les particules magnétiques avec des petits aimants en néodyme, placés dans des cylindres en plexiglass d'un centimètre (Un centimètre (symbole cm) vaut 10-2 = 0,01 mètre.) de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la...) et 1 centimètre de long. Les particules sont plongées dans un récipient d'eau, et mises en mouvement par un champ magnétique alternatif. En mesurant l'élévation de la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de...) du fluide 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 Royal Navy.), l'équipe a prouvé que la dissipation d'énergie dans le fluide est proportionnelle au nombre de particules et à l'intensité du champ magnétique. Un accéléromètre (Un accéléromètre est un capteur qui, fixé à un mobile, permet de mesurer l'accélération de ce dernier.) placé sur le couvercle du récipient détectait également les collisions des particules. Les résultats obtenus montrent que la dissipation d'énergie dans le fluide est due aux frottements visqueux des particules dans le fluide et à leurs collisions inélastiques, entre-elles ou avec les parois du récipient.

Ce dispositif devrait permettre d'étudier plus finement le phénomène de la turbulence, qui joue un rôle important dans la plupart des écoulements géophysiques et astrophysiques (formation des étoiles et des planètes, génération de leurs champs magnétiques...). Ces travaux pourraient aussi être mis à profit pour améliorer l'efficacité des mélangeurs utilisés par l'industrie chimique et pharmaceutique. Par ailleurs, le dispositif peut servir de modèle pour des expérimentations dans d'autres domaines utilisant des particules dans un fluide contrôlées par un champ magnétique alternatif: l'hyperthermie (L'hyperthermie est l'élévation locale ou générale de la température du corps, au-dessus de la valeur normale normale...) magnétique, qui est une méthode expérimentale (Une des bases de la démarche scientifique est l'expérimentation, c'est-à-dire le recueil de données sur le domaine d'étude, et la confrontation...) pour améliorer la chimiothérapie (La chimiothérapie est l'usage de certaines substances chimiques pour traiter une maladie. C'est une technique de traitement à part entière au même titre que la chirurgie. La première utilisation connue...) pour le traitement des cancers, ou les lits fluidisés magnétiques, utilisés dans des procédés technologiques.

Références:
Dissipated power within a turbulent flow forced homogeneously by magnetic particles
E. Falcon, J.-C. Bacri, C. Laroche,
Physical Review Fluids 2, 102601(R) (2017) ? Rapid Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la...) ? 27 octobre 2017
DOI: 10.1103/PhysRevFluids.2.102601
https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.2.102601

Contact chercheur:
Eric Falcon - MSC

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Source: CNRS INSIS
 
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