Un algorithme qui améliore les simulations d'écoulements turbulents en permettant le calcul précis d'un paramètre appelé frottement cutané a été développé par les chercheurs du KAUST en collaboration avec des chercheurs du California Institute of Technology. L'application de cet algorithme peut aider les industries de l'aérospatiale et du transport maritime dans leur course pour développer des transports plus économes en carburant.
Calculer un écoulement turbulent sur des corps bluffants, tels que des sphères ou des cylindres, est essentiel à de nombreuses applications pratiques d'ingénierie. Cependant, le grand nombre de paramètres impliqués dans la résolution des simulations de turbulence avec une grande précision signifie que les chercheurs doivent prendre des raccourcis, généralement de grande taille, les tourbillons de type tourbillon sont calculés exactement, tandis que les plus petites échelles de mouvement ne peuvent être modélisées qu'à titre indicatif.
Bien que les simulations de grands tourbillons aient réussi à reproduire de nombreux types de turbulence, ils ont encore des problèmes avec un phénomène connu sous le nom de crise de traînée. Normalement, le sillage turbulent qui suit un objet en mouvement détermine la quantité de traînée qu'il produit. Mais sous certaines conditions, une couche limite tourbillonnante se colle au corps et diminue la taille du sillage, et la traînée associée, même lorsque la vitesse d'écoulement autour d'elle augmente. Des fossettes sur les balles de golf, par exemple, sont spécifiquement conçus pour réduire la vitesse à laquelle se produit la crise de traînée, permettant aux golfeurs de pousser la balle beaucoup plus loin qu'ils ne le pourraient avec une balle lisse.
Selon le physicien de la KAUST Ravi Samtaney, l'un des problèmes avec la prévision des effets de la crise de traînée est de capturer les changements subtils des couches limites et de la friction au sein d'une dynamique des fluides très complexe. "Les calculs de force brute ne sont tout simplement pas possibles - le flux exact sur un Boeing 777 nécessiterait plus de points de données que le nombre d'octets sur l'ensemble d'Internet, " dit-il. " Nous avons dû trouver une meilleure méthode pour modéliser les petites échelles de mouvement. "
L'équipe s'est rendu compte que le frottement de la peau, une force tangentielle souvent négligée exercée par des objets bluff sur les fluides, pourrait fournir une clé pour comprendre le mécanisme physique de la crise de traînée. Ils ont étudié un modèle dans lequel le fluide s'écoule sur un cylindre à paroi lisse et des parois physiques réalistes génèrent des effets de turbulence. En incorporant des méthodes pour le calcul précis de l'équation peau-frottement dans leur code, ils ont résolu les changements de la turbulence près de la paroi qui comprenaient des séparations et des bulles étonnamment instables dans les couches limites de la zone de crise de traînée. Cela leur a permis d'identifier la physique qui contrôle le début de la crise de traînée à mesure que la vitesse du fluide augmente.
« Le calcul du frottement de la peau est délicat car il est défini directement sur la surface du cylindre, " explique le chercheur du KAUST, Wan Cheng. "Bien qu'il ne contribue que pour quelques pour cent à la traînée totale, il est finalement lié aux forces agissant sur le cylindre et constitue un outil puissant pour la visualisation directe de la dynamique des fluides en cas de traînée.
"Les simulations à grands tourbillons sont l'avenir de la dynamique des fluides numérique dans les applications industrielles et aérodynamiques, et le frottement de la peau peut être une mesure importante dans l'optimisation de cette conception", note Samtaney.
