Qu'un fluide circule dans la plomberie domestique ou dans les oléoducs et gazoducs industriels, quand il court lentement, son écoulement est régulier, mais quand il court vite, son écoulement est plus chaotique.

Il y a plus de 130 ans, Le physicien et ingénieur britannique Osborne Reynolds a décrit le fluide s'écoulant à basse vitesse comme « laminaire, ' ce qui signifie qu'il s'écoule en douceur dans une seule direction, et le fluide s'écoulant à grande vitesse comme « turbulent, ' ce qui signifie qu'il subit des changements chaotiques de pression et d'énergie. Reynolds a développé un ensemble d'équations pour décrire la relation entre la vitesse à laquelle un fluide s'écoule et la friction qui est créée entre celui-ci et le tuyau.

Les ingénieurs utilisent encore aujourd'hui les "lois de résistance" de Reynolds pour calculer la quantité d'énergie perdue par frottement lorsque les liquides et les gaz s'écoulent dans un tuyau. Cependant, un mystère reste entier :que se passe-t-il lorsqu'un écoulement passe de laminaire à turbulent ?

« En flux transitoire, le frottement varie sans motifs discernables, " dit le Dr Rory Cerbus, chercheur postdoctoral à l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST). Jusqu'à maintenant, les lois de résistance pour l'écoulement transitoire étaient inconnues, rendant difficile le calcul des frottements et des pertes d'énergie lors de ce type d'écoulement.

Cerbus et d'autres chercheurs de l'Unité de mécanique des fluides et de l'Unité de physique du continu de l'OIST ont trouvé une solution étonnamment simple à cette énigme vieille de 130 ans. "Nous avons montré que, bien que l'état de transition semble être une ménagerie d'états de flux, ceux-ci peuvent tous être caractérisés par des lois que nous connaissons déjà, " dit le professeur Pinaki Chakraborty, responsable de l'Unité de Mécanique des Fluides. "Cela simplifie un problème fondamental."

Le flux de transition est connu pour se composer de patchs intermittents de différents types de flux, qui alternent le long du pipeline. Dans l'approche standard pour mesurer le frottement dans l'écoulement de transition, ils sont simplement regroupés.

Les chercheurs de l'OIST ont plutôt analysé séparément les zones de flux lisse et chaotique. Ils ont fait couler de l'eau dans un tuyau de verre de 20 mètres. En ajoutant de petites particules à l'eau et en l'éclairant avec un laser, ils pouvaient mesurer la vitesse du flux. Cela leur a permis d'identifier clairement les taches alternées de flux lisse et chaotique dans le flux de transition. Ils ont ensuite mesuré la friction à l'intérieur des patchs individuels à l'aide de capteurs de pression.

"Nous avons répété une expérience de manuel qui est régulièrement effectuée par des milliers d'étudiants en ingénierie chaque année dans le monde entier, " dit Cerbus, auteur principal de l'article, qui a été récemment publié dans Lettres d'examen physique . "Nous avons utilisé essentiellement les mêmes outils, mais avec la distinction cruciale d'analyser les patchs séparément, " il dit.

Les chercheurs ont montré que malgré les complexités extérieures, la loi de résistance pour les patchs lisses est cohérente avec l'écoulement laminaire, tandis que la loi de résistance pour les plaques chaotiques est compatible avec un écoulement turbulent. Par conséquent, l'écoulement transitionnel peut être étudié en utilisant les lois de résistance originales de Reynolds.

Comprendre la quantité d'énergie nécessaire pour pomper du fluide dans un pipeline lorsqu'il circule dans l'état de transition pourrait aider les industries, comme les raffineries de pétrole, minimiser le gaspillage d'énergie et améliorer l'efficacité.

« Si vous regardez attentivement, vous trouvez qu'il y a souvent de la simplicité sous la complexité, " dit Chakraborty.