Turbulence - Définition et Explications

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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...) 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 (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est...) qui met le fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette...) 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...), 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...) abordé par la voie statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon....). 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...) fait partie de la physique statistique (La physique statistique a pour but d'expliquer le comportement et l'évolution de systèmes...). 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...) l'emportent sur les forces de viscosité, un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) 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 (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) 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...) 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...) des grands tourbillons en tourbillons plus petits permet un transfert d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) 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...) 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 (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) des turbulences est en plein essor grâce à la généralisation (La généralisation est un procédé qui consiste à abstraire un ensemble de...) des instruments de mesure (comme les free falling profilers ou les sondes à effet Doppler-Fizeau (L’effet Doppler est le décalage de fréquence d’une onde acoustique ou...) 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 (La mécanique des fluides est la branche de la physique qui étudie les écoulements de fluides...) numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information...) permet aux chercheurs d'étudier la turbulence, principalement en utilisant une approche de simulation numérique directe.

Effets

La turbulence augmente la traînée (En mécanique des fluides, la traînée est la force qui s'oppose au mouvement d'un...) 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...) et de ce fait diminuer le coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain...) 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...), balles de golf non lisses, turbulateurs sur les avions).

Dans le domaine de la météorologie (La météorologie a pour objet l'étude des phénomènes atmosphériques...), la turbulence explique les variations des courants marins et des vents atmosphériques. Elle est aussi étudiée en aéronautique (L'aéronautique inclut les sciences et les technologies ayant pour but de construire et de...) (jets des réacteurs, chambres de combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la...), sillages des aubes et compresseurs, etc.), dans l'industrie chimique (efficacité considérable du processus de mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses...) turbulent), ainsi qu'en acoustique (L’acoustique est une branche de la physique dont l’objet est l’étude des...), en géophysique, etc.

En astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer...) la turbulence atmosphérique est le frein (Un frein est un système permettant de ralentir, voire d'immobiliser, les pièces en mouvement...) majeur aux observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) effectuées depuis la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...). Elle a pour effet de disperser la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) 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...) permettent de compenser en partie ces distorsions parasites.

Tourbillon marginal (Marginal (sous-titrée Anthologie de l'imaginaire) est une collection des éditions OPTA,...) (turbulence) d'une aile d'avion (Un avion, selon la définition officielle de l'Organisation de l'aviation civile internationale...)
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