La turbulence est partout - dans le mouvement du vent, les vagues de l'océan et même les champs magnétiques dans l'espace. On le voit aussi dans des phénomènes plus transitoires, comme la fumée qui s'échappe d'une cheminée, ou une toux.

Comprendre ce dernier type de turbulence, appelé turbulence de bouffée, est important non seulement pour l'avancement de la science fondamentale, mais aussi pour des mesures pratiques de santé et d'environnement, comme calculer la distance parcourue par les gouttelettes de toux, ou comment les polluants libérés par une cheminée ou une cigarette pourraient se disperser dans l'environnement. Mais la création d'un modèle complet du comportement des bouffées de gaz et de liquides turbulents s'est jusqu'à présent révélée insaisissable.

"La nature même des turbulences est chaotique, donc c'est difficile à prévoir, " a déclaré le professeur Marco Edoardo Rosti, qui dirige l'unité Fluides et écoulements complexes de l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST). « Troubles de bouffée, qui se produit lorsque l'éjection d'un gaz ou d'un liquide dans l'environnement est perturbée, plutôt que continu, a des caractéristiques plus compliquées, il est donc encore plus difficile à étudier. Mais c'est d'une importance vitale, surtout en ce moment pour comprendre la transmission aéroportée de virus comme le SRAS-CoV-2."

Jusqu'à maintenant, la théorie la plus récente a été développée dans les années 1970, et concentré sur la dynamique d'une bouffée uniquement à l'échelle de la bouffée elle-même, comme à quelle vitesse il se déplaçait et à quel point il s'étendait.

Le nouveau modèle, développé en collaboration entre le Prof. Rosti de l'OIST, Japon et le professeur Andrea Mazzino de l'Université de Gênes en Italie, s'appuie sur cette théorie pour inclure le comportement des fluctuations infimes au sein de la bouffée, et comment les dynamiques à grande et à petite échelle sont affectées par les changements de température et d'humidité. Leurs conclusions ont été publiées dans Lettres d'examen physique le 25 août 2021.

De façon intéressante, les scientifiques ont découvert qu'à des températures plus froides (15 °C ou moins), leur modèle s'écarte du modèle classique de la turbulence.

Dans le modèle classique, la turbulence règne en maître, déterminant le comportement de tous les petits tourbillons et tourbillons du flux. Mais une fois que les températures ont baissé, la flottabilité a commencé à avoir un plus grand impact.

"L'effet de la flottabilité était initialement très inattendu. C'est un tout nouvel ajout à la théorie des bouffées turbulentes, " a déclaré le professeur Rosti.

La flottabilité exerce un effet lorsque la bouffée de gaz ou de liquide est beaucoup plus chaude que la température de l'environnement immédiat dans lequel elle est libérée. Le gaz ou le fluide chaud est beaucoup moins dense que le gaz ou le fluide froid de l'environnement, et donc la bouffée monte, lui permettant de voyager plus loin.

"La flottabilité génère un type de turbulence très différent - non seulement vous voyez des changements dans le mouvement à grande échelle de la bouffée, mais aussi des changements dans les mouvements infimes au sein de la bouffée, " a déclaré le professeur Rosti.

Les scientifiques ont utilisé un puissant supercalculateur, capable de résoudre le comportement de la bouffée à grande et à petite échelle, faire des simulations de bouffées turbulentes, ce qui a confirmé leur nouvelle théorie.

Le nouveau modèle pourrait désormais permettre aux scientifiques de mieux prédire le mouvement des gouttelettes dans l'air qui sont libérées lorsque quelqu'un tousse ou parle sans masque.

Alors que les plus grosses gouttelettes tombent rapidement au sol, atteindre des distances d'environ un mètre, des gouttelettes plus petites peuvent rester dans l'air beaucoup plus longtemps et voyager plus loin.

"La vitesse à laquelle les gouttelettes s'évaporent - et donc leur taille - dépend de la turbulence, qui à son tour est affecté par l'humidité et la température de l'environnement, " a expliqué le professeur Rosti. " Nous pouvons maintenant commencer à prendre en compte ces différences de conditions environnementales, et comment ils affectent la turbulence, en considération lors de l'étude de la transmission virale aéroportée."

Prochain, les chercheurs prévoient d'étudier le comportement des bouffées lorsqu'elles sont constituées de fluides non newtoniens plus complexes, où la facilité avec laquelle le fluide s'écoule peut changer en fonction des forces auxquelles il est soumis.

"Pour le COVID, cela pourrait être utile pour étudier les éternuements, où les fluides non newtoniens comme la salive et le mucus sont expulsés de force, " a déclaré le Dr Rosti.