Lorsqu’on débouche une bouteille de champagne, des phénomènes supersoniques complexes se produisent. Les scientifiques de la TU Wien ont désormais pu calculer exactement ce qui se passe pour la première fois.
Cela ressemble à un phénomène simple et bien connu du quotidien :il y a une forte pression dans une bouteille de champagne, le bouchon est repoussé vers l'extérieur par le gaz comprimé dans la bouteille et s'envole avec un puissant pop. Mais la physique derrière tout cela est compliquée.
Des expériences avec des caméras à grande vitesse ont déjà été réalisées, mais une analyse mathématique et numérique fait défaut. Cet écart est désormais comblé à la TU Wien. Grâce à des simulations informatiques complexes, il a été possible de recalculer le comportement du bouchon et le débit de gaz.
Ce faisant, des phénomènes étonnants ont été découverts :une onde de choc supersonique se forme et le flux de gaz peut atteindre plus d'une fois et demie la vitesse du son. Les résultats, qui apparaissent sur le serveur de pré-impression arXiv , sont également importants pour d'autres applications impliquant des flux de gaz autour de missiles balistiques, de projectiles ou de fusées.
"Le bouchon de champagne lui-même s'envole à une vitesse relativement faible, atteignant peut-être 20 mètres par seconde", explique Lukas Wagner, premier auteur de l'étude, doctorant à l'Institut de mécanique des fluides et de transfert de chaleur de la TU Wien et mène également des recherches au Centre de compétence privé autrichien en tribologie (AC2T).
"Cependant, le gaz qui sort de la bouteille est beaucoup plus rapide", explique Wagner. "Il dépasse le bouchon, le dépasse et atteint des vitesses allant jusqu'à 400 mètres par seconde."
C'est plus rapide que la vitesse du son. Le jet de gaz franchit donc le mur du son peu après l'ouverture de la bouteille, ce qui s'accompagne d'une onde de choc. Normalement, les variables telles que la pression et la température dans un gaz changent continuellement :deux points proches l'un de l'autre ont également à peu près la même pression atmosphérique. Mais lorsqu'une onde de choc survient, les choses sont différentes.
"Ensuite, il y a des sauts dans ces variables, ce qu'on appelle des discontinuités", explique Bernhard Scheichl (TU Vienne &AC2T), directeur de thèse de Lukas Wagner. "Alors la pression ou la vitesse devant l'onde de choc ont une valeur complètement différente de celle juste derrière."
Ce point du jet de gaz, où la pression change brusquement, est également connu sous le nom de « disque de Mach ». "Des phénomènes très similaires sont également connus dans les avions supersoniques ou les fusées, où le jet d'échappement sort des moteurs à grande vitesse", explique Stefan Braun (TU Wien), qui a eu l'idée originale du projet et supervisé le mémoire de maîtrise de M. Wagner. sur le sujet. Le disque de Mach se forme d'abord entre la bouteille et le bouchon puis revient vers l'ouverture de la bouteille.
Non seulement la pression du gaz, mais aussi la température changent brusquement :« Lorsque le gaz se dilate, il se refroidit, comme nous le savons grâce aux bombes aérosols », explique Lukas Wagner. Cet effet est très prononcé dans la bouteille de champagne :le gaz peut refroidir jusqu'à -130°C à certains endroits. Il peut même arriver que de minuscules cristaux de neige carbonique se forment à partir du CO2 qui fait bouillonner le vin mousseux.
"Cet effet dépend de la température d'origine du vin mousseux", explique Lukas Wagner. "Différentes températures conduisent à des cristaux de neige carbonique de différentes tailles, qui diffusent ensuite la lumière de différentes manières. Il en résulte une fumée de couleurs variées. En principe, vous pouvez mesurer la température du vin mousseux en regardant simplement la couleur de la fumée."
"Le fait que des phénomènes supersoniques se produisent réellement lorsqu'une bouteille de vin mousseux éclate était tout sauf évident au premier abord, on ne s'y attendait pas nécessairement", explique Bernhard Scheichl. "Mais nos simulations montrent que cela découle tout naturellement des équations de la mécanique des fluides, et nos résultats concordent très bien avec les expériences."
Le bruit audible à l'ouverture de la bouteille est une combinaison de différents effets :d'une part, le bouchon se dilate brusquement dès qu'il sort de la bouteille, créant une onde de pression, et d'autre part, on entend l'onde de choc générée par le gaz supersonique. jet – très similaire au phénomène aéroacoustique bien connu du bang sonique. Tous deux sont responsables du son caractéristique du claquement du bouchon de champagne. L'expansion du bouchon a été modélisée à partir des expériences menées par M. Wagner à l'AC2T.
Les méthodes qui ont maintenant été développées pour résoudre les énigmes entourant la physique de l'éclatement du bouchon de champagne peuvent également être appliquées à d'autres domaines connexes :du tir de balles de pistolet au lancement de fusées, dans de nombreuses situations techniquement importantes, vous avez affaire à des corps d'écoulement très solides qui interagissent. fortement avec un flux de gaz beaucoup plus rapide.
Plus d'informations : Lukas Wagner et al, Simuler l'ouverture d'une bouteille de champagne, arXiv (2023). DOI :10.48550/arxiv.2312.12271
Informations sur le journal : arXiv
Fourni par l'Université de technologie de Vienne
