Gauche :croquis de da Vinci de tourbillons dans une piscine turbulente. A droite :schéma du spectre d'énergie correspondant à l'écoulement à l'intérieur de la région marquée dans le croquis de da Vinci. Crédit :OIST
L'eau qui sort d'un robinet ordinaire raconte une histoire complexe de son voyage à travers un tuyau. A des vitesses élevées, le jet jaillissant du robinet est turbulent :chaotique, désordonnée, comme le fracas des vagues de l'océan.
Par rapport aux flux laminaires ordonnés, comme le jet régulier du robinet à faible vitesse, les scientifiques en savent peu sur la turbulence. On en sait encore moins sur la façon dont les écoulements laminaires deviennent turbulents. Un mélange de flux ordonnés et désordonnés, les écoulements de transition se produisent lorsque les fluides se déplacent à des vitesses intermédiaires.
Maintenant, Dr Rory Cerbus, Dr Chien-chia Liu, Dr Gustavo Gioia, et le Dr Pinaki Chakraborty, chercheurs de l'Unité de mécanique des fluides et de l'Unité de physique du continu de l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), se sont inspirés d'une théorie conceptuelle de la turbulence vieille de plusieurs décennies pour développer une nouvelle approche pour l'étude des écoulements transitionnels. Les découvertes des scientifiques, Publié dans Avancées scientifiques , peut aider à fournir un plus complet, compréhension conceptuelle des écoulements transitoires et turbulents, avec des applications pratiques en ingénierie.
"La turbulence est souvent présentée comme le dernier problème non résolu de la physique classique - elle a une certaine mystique à ce sujet, " dit Cerbus. " Et pourtant, dans des conditions idéalisées, nous avons une théorie conceptuelle qui aide à expliquer les écoulements turbulents. Dans notre recherche, nous nous efforçons de comprendre si cette théorie conceptuelle pourrait également éclairer les flux transitionnels. »
Trouver l'ordre dans le désordre
Les scientifiques ont longtemps été captivés par les écoulements turbulents. Au XVe siècle, Léonard de Vinci a illustré les flux turbulents comme des collections de tourbillons tourbillonnants, ou courants circulaires, de tailles variables.
Des siècles plus tard en 1941, le mathématicien Andrey Kolmogorov a développé une théorie conceptuelle qui a révélé l'ordre sous-jacent à l'énergétique des tourbillons apparemment désordonnés.
Comme le montre le croquis de DaVinci, un ruisseau plongeant dans une mare d'eau forme initialement un grand, tourbillon tourbillonnant, qui devient rapidement instable et se brise en tourbillons de plus en plus petits. L'énergie est transférée des grands tourbillons aux plus petits, jusqu'à ce que les plus petits tourbillons dissipent l'énergie via la viscosité de l'eau.
À gauche :écoulement dans un tuyau. A des vitesses élevées, le flux est turbulent, et aux vitesses intermédiaires, de transition. Le flux de transition est un mélange de flux tourbillonnaires et de flux laminaires. Les flux tourbillonnants se présentent sous différentes variétés. Les « limaces » se développent de manière agressive lorsqu'elles s'écoulent en aval ; Les « bouffées » conservent une taille fixe lorsqu'elles s'écoulent en aval. A droite :schéma des spectres d'énergie correspondant au flux à l'intérieur des régions marquées. Quelle que soit la variété de flux, le spectre d'énergie est universel pour les petits tourbillons. Crédit :OIST
Capturer cette imagerie dans le langage des mathématiques, La théorie de Kolmogorov prédit le spectre d'énergie, une fonction qui décrit comment l'énergie cinétique - l'énergie du mouvement - est répartie entre des tourbillons de différentes tailles.
Surtout, la théorie dit que l'énergétique des petits tourbillons est universelle, ce qui signifie que même si les écoulements turbulents peuvent sembler différents, les plus petits tourbillons de tous les écoulements turbulents ont le même spectre d'énergie.
« Que des concepts aussi simples puissent élucider avec élégance un problème apparemment insoluble, je trouve ça vraiment extraordinaire, " dit Chakraborty.
Mais il ya un hic. On pense généralement que la théorie de Kolmogorov ne s'applique qu'à un petit ensemble de flux idéalisés, et non les flux de la vie quotidienne, y compris les flux de transition.
Pour étudier ces flux transitoires, Cerbus et ses collaborateurs ont mené des expériences sur l'eau qui s'écoule dans un bassin de 20 mètres de long, Tube cylindrique en verre de 2,5 centimètres de diamètre. Les chercheurs ont ajouté petit, particules creuses ayant approximativement la même densité que l'eau, leur permettant de visualiser le flux. Ils ont utilisé une technique appelée vélocimétrie laser Doppler pour mesurer les vitesses des tourbillons dans les écoulements de transition. Avec ces vitesses mesurées, ils ont calculé le spectre d'énergie.
Étonnamment, les chercheurs ont découvert que, bien qu'elles semblent distinctes des écoulements turbulents, le spectre d'énergie correspondant aux petits tourbillons dans les écoulements de transition était conforme au spectre d'énergie universel de la théorie de Kolmogorov.
Au-delà de fournir une nouvelle compréhension conceptuelle des flux transitionnels, cette découverte a des applications en ingénierie. Au cours des deux dernières décennies, Les recherches de Gioia et Chakraborty ont montré que les spectres d'énergie peuvent aider à prédire la friction entre l'écoulement et le tuyau, une préoccupation majeure pour les ingénieurs. Plus il y a de friction dans un tuyau, plus il est difficile de pomper et de transporter des fluides comme le pétrole.
"Notre étude combine des idées mathématiques ésotériques avec des facteurs auxquels les ingénieurs se soucient, " dit Chakraborty. " Et, nous avons constaté que les théories de Kolmogorov ont une applicabilité plus large que quiconque ne le pensait. Il s'agit d'un nouvel aperçu passionnant de la turbulence ainsi que de la transition vers la turbulence."
