Objets asymétriques latéralement et écoulement des fluides

Publié par Redbran le 24/02/2017 à 12:00
Source: CNRS-INSIS
Une nouvelle crise dans l'écoulement des fluides autour des objets asymétriques.

L'écoulement des fluides autour d'un objet peut être considérablement modifié lorsque la vitesse augmente au-delà d'une valeur critique. La force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles « force...) de traînée (En mécanique des fluides, la traînée est la force qui s'oppose au mouvement d'un corps dans un liquide ou un gaz. Mathématiquement c'est...), qui s'oppose au mouvement du corps, connaît alors une brusque décroissance. Des chercheurs de l'IRENav et du laboratoire FAST ont montré que cette crise de traînée était accompagnée au même moment, pour les objets asymétriques, d'une crise de portance. Il s'agit d'une force qui s'exerce dans la direction perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en formant un angle droit. Le terme de perpendiculaire vient du latin per-pendiculum (fil à plomb) et...) à la force de traînée et permet, entre autres, aux avions de voler. Ces travaux sont publiés dans Physical Review Letters.

Quand un corps se déplace dans 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,...), la force de traînée s'oppose à son mouvement et augmente sensiblement comme le carré (Un carré est un polygone régulier à quatre côtés. Cela signifie que ses quatre côtés ont la même longueur et ses quatre angles la même mesure. Un carré est à la fois un rectangle...) de la vitesse relative (L'expression vitesse relative est communément utilisée, pour exprimer la différence des vitesses de deux mobiles ou la variation dans le temps de la distance entre deux mobiles. Elle est aussi...). On sait cependant, depuis les observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et...) de Gustave Eiffel (Alexandre Gustave Bonnickausen dit Eiffel (15 décembre 1832, Dijon - 27 décembre 1923, Paris), est un ingénieur et un industriel français qui participa notamment à la construction de la statue de la...) en 1914, que cette force diminue brusquement quand on dépasse une vitesse (On distingue :) critique. Cette "crise de traînée" explique, par exemple, pourquoi les balles de golf parcourent d'aussi grandes distances lorsqu'elles sont frappées suffisamment fort. Des chercheurs du laboratoire Fluides, automatique (L'automatique fait partie des sciences de l'ingénieur. Cette discipline traite de la modélisation, de l'analyse, de la commande et, de la régulation des systèmes dynamiques. Elle a pour fondements théoriques les...) et systèmes thermiques (FAST, CNRS/Université Paris-Sud) et de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical...) de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne...) de l'École navale (IRENav) ont cependant constaté que, pour les objets asymétriques latéralement, la crise de traînée s'accompagne d'une forte amplification (On parle d'amplificateur de force pour tout une palette de systèmes qui amplifient les efforts : mécanique, hydraulique, pneumatique, électrique.) de la portance.


Champ de vitesse moyenné dans le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) pour un obstacle en forme de demi-cylindre: en haut, au-dessous de la vitesse critique et en bas, au-dessus de la vitesse critique.

Les chercheurs ont utilisé des objets de diverses formes non symétriques, par exemple un demi-cylindre placé dans un écoulement horizontal (Horizontal est une orientation parallèle à l'horizon, et perpendiculaire à la verticale. Une ligne horizontale va « de la gauche vers la droite » ou vice versa.), face arrondie vers le haut. Par des techniques d'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait jadis soit à la main, soit par...) laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain « light amplification by...), ils ont observé que les lignes d'écoulement se modifient brutalement à partir d'une certaine vitesse. Cela provoque en même temps les crises de traînée et de portance. Jusqu'alors très faible et dirigée vers le bas, la portance change de 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 du ralentissement du vieillissement,...) et s'amplifie fortement. Dans le cas présent, il n'y a pas d'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) d'incidence de l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une...) et seule l'augmentation de la vitesse déclenche la crise. La mise en évidence de ce phénomène pourrait conduire à diverses applications: détecteurs de vitesse, systèmes de contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) passif de stabilité ou à des actionneurs, par exemple pour fermer une vanne quand le débit (Un débit permet de mesurer le flux d'une quantité relative à une unité de temps au travers d'une surface quelconque.) devient trop important dans une conduite.

Références publication:
Sharp Transition in the Lift Force of a Fluid Flowing Past Nonsymmetrical Obstacles: Evidence for a Lift Crisis in the Drag Crisis Regime
Patrick Bot, Marc Rabaud, Goulven Thomas, Alessandro Lombardi, and Charles Lebret
Phys. Rev. Lett. 117, 234501
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.234501

Contacts chercheurs:
Marc Rabaud - FAST
Patrick Bot - IRENav
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