Chercheurs de l'Institut des sciences Weizmann, l'Université de Rome, Le CNRS et l'Université d'Helsinki ont récemment mené une étude sur la différence entre la turbulence anisotrope 3-D dans les fluides classiques et celle dans les superfluides, comme l'hélium. leurs découvertes, Publié dans Lettres d'examen physique ( PRL ), sont étayées à la fois par la théorie et par des preuves expérimentales.

"La présente recherche a été initiée par notre groupe à l'Institut Weizmann, Israël, composé de Victor L'vov, Itamar Procaccia et Anna Pomyalov, qui essayaient de comprendre de nouvelles observations expérimentales par les groupes du professeur Wei Guo de la Florida State University, Tallahassee et le professeur Ladislav Skrbek de l'Université Charles, à Prague, " Itamar Procaccia, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Notre objectif principal était de comprendre une différence surprenante apparente dans la façon dont l'énergie se répartit entre les tourbillons turbulents de différentes échelles dans les fluides visqueux classiques comme l'air et l'eau et les superfluides comme l'hélium à basse température."

Tous les écoulements turbulents, à la fois dans la nature et en laboratoire, sont anisotropes aux échelles d'injection d'énergie, ce qui signifie que l'énergie se répartit différemment entre leurs tourbillons turbulents. Des études antérieures ont montré que le modèle de turbulence homogène et isotrope (HIT) est particulièrement efficace pour prédire les propriétés statistiques de la turbulence à des échelles beaucoup plus petites que les échelles d'agitation, encore plus grandes que les écailles dissipatives.

Dans les fluides classiques, La turbulence anisotrope 3-D tend vers l'isotropie et l'homogénéité avec des échelles décroissantes, il est donc éventuellement possible de leur appliquer le modèle HIT. Dans leur étude, cependant, Procaccia et ses collègues ont démontré que le contraire est vrai pour le superfluide ⁴ He turbulence dans la géométrie 3-D du canal à contre-courant, qui devient moins isotrope à mesure que les écailles diminuent, au point de devenir presque bidimensionnel.

L'approche utilisée par eux implique un soi-disant «modèle à deux fluides» d'hélium superfluide. Ce modèle est basé sur les premiers travaux de Laszlo Tisza et Lev Landau en 1940-1941, qui a ensuite été amélioré par H. Hall, W.F. Vinen, I.M. Khalatnikov, et I.L Bekarevich.

"Le modèle décrit l'hélium superfluide comme un mélange interpénétrant de deux fluides :un superfluide qui se déplace sans friction, et un fluide visqueux normal qui sont couplés par un frottement mutuel, " expliqua Procaccia.

Des études antérieures menées par deux équipes de chercheurs à Tallahasse, Floride et Prague ont examiné l'hélium superfluide sous un gradient de température, créant ce que l'on appelle le « contre-courant ». Comme son nom l'indique, à contre-courant différentes composantes d'un écoulement de fluide dans des directions opposées; le superfluide s'écoule du côté froid vers le côté chaud et le fluide normal du côté chaud vers le côté froid.

"Notre modèle a rationalisé certaines de ces observations expérimentales et a prédit de nouvelles fonctionnalités qui ont ensuite été confirmées expérimentalement, " expliqua Procaccia. " Le résultat principal de notre étude est que contrairement aux écoulements turbulents classiques qui deviennent de plus en plus isotropes à plus petite échelle, le flux que nous avons examiné devient de moins en moins isotrope au fur et à mesure que les écailles diminuent."

Avant d'entreprendre leur étude, Procaccia et ses collègues avaient théoriquement prédit que leurs expériences conduiraient aux observations qu'ils ont ensuite recueillies. Cependant, la force de l'effet qu'ils ont observé n'est devenu clair qu'après avoir effectué des simulations numériques directes sur un supercalculateur de l'UE, en collaboration avec une équipe de chercheurs dirigée par Luca Biferale. Selon Procaccia, leurs découvertes théoriques et numériques ont déjà motivé d'autres groupes expérimentaux à poursuivre leurs recherches sur la turbulence à contre-courant.

« A l'Institut Weizmann, nous développons maintenant notre théorie plus loin, être attentif aux nouvelles techniques expérimentales qui permettent des études poussées de la turbulence dans l'hélium superfluide, " a déclaré Procaccia. " Notre groupe continue de participer à l'analyse de nouvelles données expérimentales, dans l'espoir de contribuer à une meilleure compréhension des écoulements superfluides des expériences de laboratoire à la réalisation cosmologique, comme les étoiles à neutrons."

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