Pour les scientifiques aux prises avec des problèmes aussi divers que contenir du plasma super chaud dans un réacteur à fusion, améliorer la précision des prévisions météorologiques, ou sonder la dynamique inexpliquée d'une galaxie lointaine, l'écoulement de cisaillement générateur de turbulences est un facteur de complication sérieux.

Mettre tout simplement, l'écoulement de cisaillement se produit lorsque deux fluides - où les fluides sont un liquide, un gaz ou un plasma (le gaz super chaud amorphe qui compose des étoiles comme notre soleil ou qui se produit dans un appareil de fusion) - se croisent, comme lorsque le vent souffle sur un lac ou les jets de gaz chauds d'une galaxie. Le chaos turbulent qui se produit à la suite de l'interaction des fluides peut être extrêmement difficile à recréer dans les modèles numériques utilisés par les scientifiques pour décrire et comprendre un large éventail de phénomènes.

Tondre, par exemple, est un facteur de confusion pour les problèmes appliqués critiques tels que la prédiction de la diffusion de la fumée des incendies de forêt massifs. La fumée des incendies tels que ceux qui se sont produits récemment en Californie peut être largement dispersée à des milliers de kilomètres de la source et contribuer aux problèmes de qualité de l'air.

"Ces modèles sont vraiment utiles pour comprendre les systèmes où le flux est rapide, " dit Adrien Fraser, un étudiant diplômé en physique de l'Université du Wisconsin-Madison et auteur principal d'une étude publiée lundi, 10 décembre dans la revue Physique des plasmas .

Mais même en utilisant les supercalculateurs les plus puissants du monde dans une démonstration de force brute, certains phénomènes sont trop complexes et dynamiques pour être recréés de manière fiable in silico.

Les scientifiques ont essayé de contourner le problème en simplifiant et en analysant leurs modèles pour examiner les éléments d'un système dans l'espoir qu'ils puissent être réassemblés pour rendre compte de l'ensemble. Mais ce faisant, Fraser note, les chercheurs ont peut-être négligé un effet collectif commun qui a non seulement une influence sur la dynamique d'un système, mais, selon les nouvelles recherches, semble être une poignée pratique pour simplifier considérablement la recréation numérique de phénomènes tels que la propagation de la chaleur et des produits chimiques dans un système, des problèmes qui submergent désormais même les supercalculateurs les plus puissants.

En utilisant ces supercalculateurs de pointe, L'équipe de Fraser, y compris les professeurs de physique UW-Madison Paul Terry et Ellen Zweibel ainsi que MJ Pueschel de l'Université du Texas, a examiné comment la turbulence se déroule sur de longues périodes de temps lorsque ses mouvements incluent un composant qui disparaît normalement très rapidement. En regardant le système en détail, les chercheurs ont observé que cette composante apparemment transitoire est amplifiée au fil du temps et exerce une plus grande influence qu'on ne le pensait.

"C'est le seul mouvement collectif qui avait été supposé ne pas avoir d'importance dans ces systèmes. Nous avons montré qu'il a de l'importance, " dit Fraser. " Et en notant que, nous avons été en mesure d'améliorer considérablement les modèles existants sur la façon dont la turbulence de cisaillement change dans différents systèmes."

La plupart des études précédentes se sont concentrées sur la représentation de mouvements avec des composants qui ne disparaissent pas car ils sont plutôt directement entraînés par le cisaillement.

Mesurer la diffusion de la chaleur ou du colorant dans un fluide stationnaire est simple, Fraser explique, mais "si le fluide est turbulent, il est vraiment difficile de comprendre comment le colorant ou la chaleur se diffuse d'une partie du fluide à une autre à cause de tous les mouvements compliqués qui se produisent dans la turbulence."

En représentant le système avec des mouvements croissants et décroissants, il est plus facile de voir l'ensemble du tableau et simplifie grandement le système de modélisation.

"Le résultat final est un modèle simple qui prédit des résultats très cohérents avec les simulations massives que nous avons effectuées, " dit Fraser, notant que des problèmes auparavant insolubles pour la conception d'expériences de fusion, amélioration des modèles météorologiques, et la compréhension des phénomènes astrophysiques tels que la formation d'étoiles sera plus facilement abordée sans avoir besoin de supercalculateurs coûteux.

Viatcheslav Loukine, directeur de programme pour la physique des plasmas et la science des accélérateurs à la National Science Foundation, affirme que la nouvelle étude aidera la communauté des chercheurs à continuer à résoudre des problèmes complexes de physique des plasmas. "La poursuite des progrès dans la modélisation précise des systèmes plasma à grande échelle dépend de manière critique de notre capacité à combiner des méthodes analytiques avec des simulations numériques directes de haute fidélité, et ces nouveaux résultats devraient nous aider à faire un pas de plus dans cette direction."