Plonger des sphères chaudes dans des liquides visqueux révèle un moyen de réduire la résistance des fluides sans procédures d'ingénierie complexes.
Le ruissellement erratique des gouttelettes d'eau autour des poêles à frire grésillantes se produit lorsque des couches de vapeur piégée font flotter brièvement les gouttes. Une équipe de l'Université des sciences et technologies King Abdullah (KAUST), Arabie Saoudite, a montré que ce processus, connu sous le nom d'effet Leidenfrost, peut être utilisé pour réduire considérablement les forces de traînée auxquelles sont confrontés les objets voyageant dans les liquides.
Les points spéciaux d'une balle de baseball et les fossettes sur les balles de golf ne sont pas que cosmétiques. A des vitesses suffisantes, ces textures rugueuses provoquent un comportement turbulent d'une fine couche limite d'air circulant sur la sphère et réduisent le frottement à un niveau inférieur à celui des surfaces lisses. Cette soi-disant crise de traînée permet à ces balles d'atteindre des trajectoires plus longues et plus stables.
Récemment, Siggi Thoroddsen, Professeur de Génie Mécanique, et Ivan Vakarelski de KAUST a étudié des techniques pour déclencher la traînée sans invoquer le phénomène de crise. Ils y sont parvenus en inversant les procédures habituelles de Leidenfrost et en immergeant des sphères chaudes dans des liquides. Avec une évaporation suffisante, une couche de vapeur s'est formée qui a agi comme lubrifiant pour réduire la friction liquide-solide. Cette approche a permis aux sphères chaudes de se déplacer deux fois plus vite que les orbes plus froides lors d'expériences en chute libre.
Cependant, la crise de traînée et la lévitation induite par Leidenfrost ont lieu sous une plage étroite d'un paramètre, connu sous le nom de nombre de Reynolds, qui relie la viscosité et la densité du fluide à la taille et à la vitesse d'une sphère en mouvement. Dans leur dernier ouvrage, Vakarelski, Thoroddsen et ses collaborateurs en Australie ont utilisé des liquides dotés de propriétés stabilisatrices uniques pour étendre considérablement les conditions dans lesquelles les couches de vapeur de Leidenfrost diminuent les forces de traînée.
Les chercheurs ont laissé tomber les sphères brûlantes dans de grands réservoirs verticaux contenant des perfluorocarbures, liquides souvent utilisés comme réfrigérants qui s'évaporent plus facilement que l'eau. Des caméras vidéo à grande vitesse ont capturé les trajectoires de chute libre de sphères dans des perfluorocarbures avec des viscosités très différentes pour explorer une gamme de conditions de traînée. Étonnamment, la couche de vapeur a réduit le frottement beaucoup plus que prévu, et l'a fait avec succès pour les nombres de Reynolds couvrant trois ordres de grandeur.
La modélisation de ce processus a révélé que l'effet Leidenfrost induisait le liquide circulant autour de la sphère à glisser et à prendre des vitesses différentes. Thoroddsen a expliqué que, "Alors que nous introduisons lentement plus de glissement, cela réduit progressivement la traînée. Le glissement partiel est déterminé par la viscosité relative du liquide et des molécules de gaz dans la couche de vapeur."
L'équipe anticipe que les couches de vapeur se maintiennent naturellement sur les surfaces superhydrophobes, ou induite par injection de bulles, peut stimuler le développement de techniques de coupe par friction inattendues. "Ces expériences donnent juste une limite supérieure pour la réduction de la traînée - une fois que les ingénieurs voient les possibilités, le gain potentiel pourrait être important, " a ajouté Thoroddsen.
