Des recherches apportent une nouvelle perspective sur la dynamique des turbulences
Publié par Redbran le 04/11/2019 à 14:00
Source: © Union européenne, [2019] / CORDIS
Une équipe financée par l'UE a utilisé des méthodes de simulation numérique avancées pour mieux comprendre les mécanismes qui régissent la dynamique des turbulences. Les simulations et les résultats théoriques ont mis en évidence l'importance de la symétrie miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme par réflexion et conçu à cet effet. C'est souvent une couche métallique fine, qui, pour être...) dans l'évolution globale des écoulements turbulents.


© Luca Biferale

Les turbulences sont couramment observées dans des phénomènes de la vie (La vie est le nom donné :) courante tels que les cours d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) rapides, la fumée (La fumée, parfois appelée boucane en Amérique du Nord, est un nuage de particules solides émis par un feu ou un échauffement mécanique. Ces particules sont principalement de la suie (du...) d'une cheminée (Une cheminée (lat. caminus) est un conduit vertical aménagé dans un bâtiment, (un véhicule), pour évacuer les gaz et fumées toxiques d'un feu brûlant dans son...) ou l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de...) s'écoulant autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit...) des ailes des avions. Elles sont également présentes dans les courants océaniques intenses, les coulées de lave (La lave est une roche en fusion, plus ou moins fluide, émise par un volcan lors d’une éruption. La lave est issue d'un magma, réserve de roche en fusion située dans l’épaisseur des couches...) émises par les volcans ou l'espace intergalactique. En fait, l'écoulement de la plupart des fluides est 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.), y compris la circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) du sang (Le sang est un tissu conjonctif liquide formé de populations cellulaires libres, dont le plasma est la substance fondamentale et est présent chez la plupart des animaux. Un humain adulte est doté...) dans nos artères. Bien que nous soyons entourés d'une multitude d'exemples de turbulences, les mécanismes à la base de ce phénomène tumultueux sont difficiles à contrôler et à comprendre.

Causé par un excès d'énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est l’énergie que possède un corps du fait de son mouvement. L’énergie...) qui surpasse les effets de la viscosité du 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...), un écoulement turbulent est par nature irrégulier et donc difficile à prévoir. "Les interactions prenant place au sein des turbulences créent un phénomène très complexe qu'aucun algorithme existant ne peut décrire avec précision. Dans ce domaine, les progrès ont été si lents qu'il n'existe même pas, actuellement, de ressources informatiques capables d'effectuer une simulation basique de l'écoulement de l'air autour d'une aile d'avion! C'est la raison pour laquelle les ingénieurs et les experts en mathématiques (Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide de raisonnements logiques sur des concepts tels que les nombres, les figures, les structures et...) appliquées élaborent et utilisent de modèles mathématiques pour prévoir les effets de 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...)", explique le Pr Luca Biferale, coordinateur du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande...) NewTURB, financé par l'UE.

Cartographier les turbulences à différentes échelles

Un écoulement turbulent 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...) sur une large gamme d'échelles de longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet,...). On sait bien qu'il est difficile de les combiner dans une simulation numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et échantillonnée, par opposition à une information dite...), et même les systèmes informatiques à la pointe de la technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) nécessitent un temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de calcul considérable. C'est justement le problème auquel l'équipe de NewTURB s'est attaquée: elle avait pour ambition de développer une série de modèles multi-échelles pour des calculs hautes performances capables de relever ces défis. L'idée principale consistait à effectuer un "écrémage chirurgical" du nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de paramètres – degrés de liberté – qui définissent la configuration turbulente en modifiant les équations de Navier-Stokes (En mécanique des fluides, les équations de Navier-Stokes sont des équations aux dérivées partielles non-linéaires qui décrivent le mouvement des...) de manière contrôlable.

"Notre objectif principal était de prévoir dans quelles conditions l'écoulement turbulent avait tendance à accumuler l'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.) des forces d'agitation (L’agitation est l'opération qui consiste à mélanger une phase ou plusieurs pour rendre une ou plusieurs de ces caractéristiques homogènes. Plusieurs types d'opérations liées à...) 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...) ou à la dissiper à très petite échelle. Le premier cas ressemblerait à une grosse tornade (Une tornade (de l'espagnol tornado, dérivé du verbe tornar, tourner) est un vortex (tourbillon) de vents extrêmement violents, prenant naissance à la base d'un nuage d'orage (cumulonimbus) lorsque les conditions de cisaillement...) (voir figure) dans l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :), tandis que le second correspondrait à un tourbillon intense, quoique de taille millimétrique, comme ceux qui se forment à l'intérieur des moteurs (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie mécanique ou travail.[réf. nécessaire]) à combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la combustion est vive, elle se traduit par une flamme voire une explosion.) interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à...)", explique le Pr Biferale.

À l'aide de modèles mathématiques et de calculs haute performance, l'équipe du projet a démontré qu'un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut...) d'interactions chirales modifiant la symétrie miroir – et l'hélicité du flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est employé dans les...) – était susceptible d'affecter le comportement de l'écoulement turbulent. Cette caractéristique, jusqu'ici inconnue, devrait désormais être considérée comme une propriété de base pour tous les écoulements incompressibles.

Identifier les lois universelles en jeu dans les turbulences

Lever le voile sur les propriétés statistiques universelles communes à l'ensemble des écoulements turbulents, malgré leurs différents mécanismes d'entraînement ou leurs géométries d'écoulement particulières, a représenté depuis longtemps un défi de taille. "Parvenir à confirmer l'hypothèse de l'universalité dans la turbulence est en quelque sorte le “Saint Graal” des physiciens travaillant dans ce domaine", fait remarquer le Pr Biferale.

"Bien que nous ne puissions pas prouver cette universalité à partir des équations qui régissent le système, nous savons, grâce à des simulations numériques et des expériences en laboratoire, qu'elle est valable pour les fluctuations turbulentes à petite échelle, qui retrouvent un comportement statistique (La statistique est à la fois une science formelle, une méthode et une technique. Elle comprend la collecte, l'analyse, l'interprétation de...) parfaitement symétrique du point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) rotationnel." Dissocier les propriétés universelles des propriétés non universelles dans les turbulences en cisaillement ou en rotation, à toutes les échelles, a donc été l'objectif principal des travaux du projet aussi bien en ce qui concerne le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) d'écoulement que l'advection de particules par ce dernier.

Un problème non résolu

NewTURB a clarifié des aspects importants au niveau de la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) des flux turbulents, à l'aide d'indices flagrants provenant de simulations numériques. "Nous sommes toutefois encore loin d'offrir une description complète du phénomène de turbulence. Nous avons très peu de preuves basées sur les équations de mouvement. La turbulence est l'un des plus vieux problèmes non résolus 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...)", conclut le Pr Biferale.
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