La turbulence est un phénomène omniprésent et l'un des grands mystères de la physique. Une équipe de recherche de l'Université d'Oldenburg en Allemagne a maintenant réussi à générer des turbulences de tempête réalistes dans la soufflerie du Center for Wind Energy Research (ForWind).

Les fortes tempêtes semblent souvent laisser derrière elles des destructions aléatoires :alors que les tuiles d'une maison sont emportées, la propriété voisine ne doit pas être endommagée du tout. Les causes de ces différences sont les rafales de vent ou, comme disent les physiciens, turbulences locales. Elle résulte de flux atmosphériques à grande échelle, mais jusqu'à maintenant, il est impossible de le prévoir dans les moindres détails.

Des experts de l'Université d'Oldenbourg et de l'Université de Lyon ont désormais ouvert la voie à l'étude de la turbulence à petite échelle :l'équipe dirigée par le physicien d'Oldenbourg, le professeur Dr. Joachim Peinke, a réussi à générer des écoulements turbulents dans une soufflerie. Les écoulements ressemblaient à ceux des gros coups de vent. L'équipe a trouvé un moyen de couper littéralement une tranche d'une tempête, les chercheurs rapportent dans la revue Lettres d'examen physique . « Notre découverte expérimentale fait de notre soufflerie un modèle pour une nouvelle génération de telles installations dans lesquelles, par exemple, les effets des turbulences sur les éoliennes peuvent être étudiés de manière réaliste, " dit Peinke.

Le paramètre le plus important caractérisant la turbulence d'un écoulement est le nombre dit de Reynolds :cette grandeur physique décrit le rapport entre l'énergie cinétique et les forces de frottement dans un milieu. En termes simples, vous pouvez dire :plus le nombre de Reynolds est grand, plus le flux est turbulent. L'un des plus grands mystères de la turbulence réside dans ses statistiques :des événements extrêmes tels que de fortes, les rafales de vent soudaines se produisent plus fréquemment si vous regardez à plus petite échelle.

Équations non résolues

"Les tourbillons turbulents d'un écoulement deviennent plus sévères à plus petite échelle, " explique Peinke, qui dirige le groupe de recherche Turbulence, Énergie éolienne et stochastique. Dans une forte tempête, c'est-à-dire lorsque le nombre de Reynolds est élevé, une mouche est donc affectée par des conditions d'écoulement beaucoup plus rafales que, dire, un avion. Les raisons spécifiques à cela ne sont pas bien connues :les équations physiques décrivant les fluides ne sont pas encore résolues en ce qui concerne la turbulence. Cette tâche est l'un des fameux problèmes du millénaire des mathématiques, sur la solution duquel le Clay Mathematics Institute aux États-Unis a investi un million de dollars chacun.

Dans la grande soufflerie du Center for Wind Energy Research (ForWind), l'équipe d'Oldenburg a maintenant réussi à générer des conditions de vent plus turbulentes que jamais. Par rapport aux expériences précédentes, les chercheurs ont multiplié par cent le nombre de Reynolds et ainsi simulé des conditions similaires à celles rencontrées lors d'une véritable tempête. "Nous ne voyons pas encore de limite supérieure, " dit Peinke. " Les turbulences générées sont déjà très proches de la réalité. "

Expériences en soufflerie

La soufflerie d'Oldenburg a une section d'essai de 30 mètres de long. Quatre ventilateurs peuvent générer des vitesses de vent allant jusqu'à 150 kilomètres par heure, ce qui correspond à un ouragan de catégorie 1. Pour créer un flux d'air turbulent, les chercheurs utilisent une grille dite active, qui a été développé pour les exigences particulières de la grande soufflerie d'Oldenburg. La structure, trois mètres sur trois, est situé au début de la soufflerie et se compose de près d'un millier de petits, ailes en aluminium en forme de losange. Les plaques métalliques sont mobiles. Ils peuvent être tournés dans deux directions via 80 arbres horizontaux et verticaux. Cela permet aux chercheurs éoliens de bloquer et de rouvrir de manière sélective de petites zones de la buse de la soufflerie pendant une courte période, provoquant un tourbillon d'air. « Avec la grille active, la plus grande du genre au monde, nous pouvons générer de nombreux champs de vent turbulents différents dans la soufflerie, " explique Lars Neuhaus, qui est également membre de l'équipe et a joué un rôle clé dans cette étude.

Pour les expériences, l'équipe a fait varier le mouvement de la grille d'une manière chaotique similaire aux conditions se produisant dans un écoulement d'air turbulent. Ils ont également modifié la puissance des ventilateurs de manière irrégulière. Ainsi, en plus des turbulences à petite échelle, le flux d'air a généré un mouvement plus important dans le sens longitudinal de la soufflerie. "Notre principale conclusion est que le flux en soufflerie combine ces deux composants en parfait, turbulences de tempête réalistes, " explique le co-auteur Dr. Michael Hölling. Le physicien préside également le comité international d'essais en soufflerie de l'Académie européenne de l'énergie éolienne (EAWE). Cette turbulence de tempête a émergé de 10 à 20 mètres derrière la grille active.

Tourbillons à petite échelle

"En ajustant la grille et les ventilateurs de la soufflerie, nous avons généré une turbulence à grande échelle d'une taille d'environ dix à cent mètres. À la fois, une turbulence à petite échelle avec des dimensions de quelques mètres et moins est apparue spontanément. Cependant, on ne sait toujours pas exactement pourquoi, " explique Hölling. Comme lui et ses collègues le rapportent, cette nouvelle approche permet de réduire les turbulences atmosphériques pertinentes pour les éoliennes, des avions ou des maisons d'une taille d'un mètre dans la soufflerie. Cela permettra aux chercheurs de mener à l'avenir des expériences réalistes avec des modèles miniaturisés, dans lesquels des rafales extrêmes se produisent aussi fréquemment que lors de véritables tempêtes.