Des simulations avancées ont résolu un problème d'écoulement de fluide turbulent qui pourrait conduire à des turbines et des moteurs plus efficaces.

Lorsqu'un fluide, comme l'eau ou l'air, coule assez vite, il subira des turbulences, des changements apparemment aléatoires de vitesse et de pression dans le fluide.

La turbulence est extrêmement difficile à étudier mais elle est importante pour de nombreux domaines de l'ingénierie, tels que le flux d'air au-delà des éoliennes ou des moteurs à réaction. Mieux comprendre la turbulence permettrait aux ingénieurs de concevoir des aubes de turbine plus efficaces, par exemple, ou créer des formes plus aérodynamiques pour les voitures de Formule 1.

Cependant, les modèles d'ingénierie actuels de la turbulence reposent souvent sur des relations « empiriques » basées sur des observations antérieures de la turbulence pour prédire ce qui va se passer, plutôt qu'une compréhension complète de la physique sous-jacente.

C'est parce que la physique sous-jacente est immensément compliquée, laissant de nombreuses questions qui semblent simples non résolues.

Maintenant, des chercheurs de l'Imperial College de Londres ont utilisé des supercalculateurs, exécuter des simulations sur des processeurs graphiques développés à l'origine pour le jeu, pour résoudre une question de longue date dans les turbulences.

Trouver la solution

Leur résultat, publié aujourd'hui dans le Journal de mécanique des fluides , signifie que des modèles empiriques peuvent être testés et de nouveaux modèles peuvent être créés, conduisant à des conceptions plus optimales en ingénierie.

Co-auteur Dr Peter Vincent, du Département d'aéronautique de l'Impériale, a déclaré : « Nous avons maintenant une solution à un problème d'écoulement fondamental important. Cela signifie que nous pouvons vérifier les modèles empiriques de turbulence par rapport à la « bonne » réponse, pour voir à quel point ils décrivent bien ce qui se passe réellement, ou s'ils ont besoin d'être ajustés."

La question est assez simple :si un fluide turbulent s'écoule dans un canal et qu'il est perturbé, comment cette perturbation se dissipe-t-elle dans le fluide ? Par exemple, si l'eau était soudainement rejetée d'un barrage dans une rivière puis coupée, quel effet cette impulsion d'eau du barrage aurait-elle sur le débit de la rivière ?

Pour déterminer le comportement global « moyen » de la réponse du fluide, l'équipe avait besoin de simuler la myriade de réponses plus petites dans le fluide. Ils ont utilisé des superordinateurs pour exécuter des milliers de simulations d'écoulement turbulent, chacun nécessitant des milliards de calculs.

A l'aide de ces simulations, ils ont pu déterminer les paramètres exacts qui décrivent comment la perturbation se dissipe dans l'écoulement et ont déterminé diverses exigences auxquelles les modèles empiriques de turbulence doivent satisfaire.

Co-auteur, le professeur Sergei Chernyshenko, du Département d'aéronautique de l'Impériale, a déclaré:"Dès mes premiers jours d'études en mécanique des fluides, j'avais des questions fondamentales auxquelles je voulais connaître les réponses. C'était l'une d'entre elles, et maintenant, après 40 ans, j'ai la réponse."