Turbulence dans les océans, dans l'atmosphère ou dans l'industrie est des milliards de fois plus fort que dans les expériences de laboratoire. La simple mise à l'échelle des résultats de laboratoire n'est pas une option. Théoriquement, cependant, il existe un régime de turbulence dans lequel s'appliquent des lois d'échelle. Des chercheurs de l'Université de Twente ont réussi à atteindre ce «régime ultime asymptotique» de turbulence en introduisant une rugosité à la surface à laquelle le liquide turbulent s'écoule. Ils présentent leurs conclusions dans Physique de la nature du 12 février.

Mieux comprendre la turbulence est l'un des grands défis de la physique. La turbulence se retrouve dans les processus industriels, l'atmosphère, et dans les flux autour des navires ou des avions. nombres de Reynolds, qui mesurent la force des turbulences, ne peut pas être réalisé en laboratoire à une échelle réaliste, et sont beaucoup plus faibles que dans les processus réels. Lors de la mesure du flux de chaleur en laboratoire à des turbulences plus faibles, les valeurs ne peuvent pas simplement être extrapolées aux nombres de Reynolds plus élevés dans la nature ou l'industrie. Il y a, cependant, une théorie bien connue qui en révèle plus sur les nombres de Reynolds infiniment élevés. Elle date de 1962. Selon cette théorie de Robert Kraichnan, qui fut le dernier assistant d'Albert Einstein, il existe un « régime ultime asymptotique ». Dans ce régime, la montée en gamme est possible. Encore mieux, le régime peut maintenant être atteint aux faibles nombres de Reynolds qui peuvent être obtenus en laboratoire. C'est un lien nouveau et indispensable entre la théorie et la pratique.

Couche limite

Les scientifiques du groupe Physique des fluides du professeur Detlef Lohse ont modifié l'écoulement du fluide à la surface en introduisant de la rugosité. Pour mesurer un écoulement turbulent, le groupe a créé une configuration dite Twente Turbulent Taylor-Couette, dans lequel un écoulement turbulent pourrait être généré entre deux cylindres tournant indépendamment l'un de l'autre. Aux nombres de Reynolds inférieurs, l'écoulement près de la paroi est turbulent à l'exception de la couche limite, où il est encore laminaire. Vers des nombres de Reynolds plus élevés, l'écoulement dans son ensemble sera turbulent. Avec l'introduction de nervures à la surface, le débit au mur change radicalement, créant des conditions qui ne se produiraient normalement que dans des turbulences beaucoup plus fortes. Simulations par Ph.D. l'étudiant Xiajue Zhu et les expériences de son collègue Ruben Verschoof sont complémentaires en cela. L'avantage des simulations est que vous obtenez des informations détaillées sur la vitesse d'écoulement en un point donné, tandis que des expériences peuvent être faites à des nombres de Reynolds plus élevés.

C'est le résultat d'années de simulation et d'expérimentations. La simulation d'un écoulement turbulent nécessite une puissance de calcul énorme. Une simulation sur un seul ordinateur prendrait 10 millions d'heures ou 1140 ans. Les chercheurs ont donc utilisé des supercalculateurs à travers l'Europe, utilisant 2000 processeurs en parallèle. Les expérimentations sont tout aussi exigeantes et à la limite :la configuration Taylor-Couette, qui est la machine la plus grande et la plus avancée de son genre, a des moteurs qui consomment 20 kilowatts d'énergie, tandis que 20 kW supplémentaires sont nécessaires pour refroidir l'installation.