Les conclusions sur la façon dont se comportent les tourbillons dans un écoulement turbulent pourraient faciliter la simulation de nuages dans les modèles climatiques
Le mélange rapide du café et du lait après une agitation ou la formation de gouttes de pluie dans les nuages: ce ne sont que deux des nombreux phénomènes dans lesquels les écoulements turbulents jouent un rôle décisif. Des chercheurs de l'Institut Max Planck de dynamique et d'auto-organisation et de l'Ecole Normale Supérieure de Lyon ont maintenant découvert que les écoulements turbulents apparemment aléatoires ont en fait une structure étonnamment uniforme. Selon les résultats, les tourbillons sont un ingrédient de base des écoulements turbulents et ils se comportent de façon similaire à un patineur effectuant une pirouette - une technique par laquelle le patineur se penche ses bras pour augmenter la vitesse de rotation. Les chercheurs ont surveillé cet effet dans pirouette tourbillons de différentes tailles dans un liquide turbulent. Ce faisant, ils démêlé un mystère qui a confondu les chercheurs de turbulence depuis des décennies - à savoir la question de la façon dont les flux d'énergie des grands à toujours plus petits tourbillons, et comment elle est finalement convertie en chaleur dans les plus petits tourbillons.
Dès la première moitié du siècle dernier, les physiciens ont déjà exploré la question de savoir comment les écoulements turbulents convertissent l'énergie d'un flux directionnel en énergie thermique omni-directionnelle. L'explication ils sont venus avec le concept était soi-disant «cascade d'énergie" - un concept selon lequel l'énergie cinétique, par exemple d'une rivière, coule d'abord dans les grands tourbillons tournant rapidement quand cascade vers le bas d'une cascade. Les grands tourbillons se brisent ensuite en petits tourbillons, qui à son tour se décomposent en même les plus petits. Plus les tourbillons ne deviennent, plus la vitesse de leur rotation. Dans la rotation lente des mini-tourbillons, la force de frottement est telle que l'énergie cinétique est finalement convertie en énergie thermique.
Ce processus en cascade d'énergie est utilisé par des personnes sur une base quotidienne, par exemple dans des procédés de mélange: lorsque l'agitation du lait dans le café, le débit de lait déclenché initialement par la cuillère est convertie en quelques secondes à une directionless, une distribution uniforme de petites gouttes de lait. Les matériaux de base des réactions chimiques sont également mélangés à l'aide d'un écoulement turbulent, le procédé étant ainsi beaucoup plus rapide que si les matériaux ne sont pas mélangés.
Les écoulements turbulents dans la perspective des particules flottantes
Toutefois, les chercheurs ne comprennent pas encore les mécanismes d’écoulements turbulents. Une telle compréhension pourrait grandement simplifier la modélisation informatique des processus turbulents et donc, par exemple, la simulation de nuages dans les modèles climatiques. Physiciens Eberhard Bodenschatz et Haitao Xu de l'Institut Max Planck de dynamique et d'auto-organisation à Göttingen et Alain Pumir de l'Ecole Normale Supérieure de Lyon ont franchi une étape importante vers la compréhension des écoulements turbulents. En étudiant une seule particule flottant dans un écoulement turbulent pour la première fois, ils ont découvert un ingrédient de base dans les écoulements turbulents.
À cette fin, ils ont utilisé une caméra à grande vitesse pour surveiller des particules de polystyrène dans un écoulement d'eau turbulent, qui ont été éclairé par un laser très lumineux. Lors de l'analyse des images, ils du doigt une particule entourée de trois autres particules. Ces particules ont été séparées par une distance égale de sorte qu'ils forment un tétraèdre. Ils ont observé comment les positions des particules par rapport à l'autre changé au fil du temps, à savoir la façon dont le tétraèdre dans le liquide turbulent changements de forme et de la manière dont il tourne. Ce processus a impliqué extrêmes enregistrements time-lapse de 30.000 images par seconde.
Le résultat a étonné les physiciens: les particules effectivement exécuté une danse similaire à la pirouette dans le patin à glace. Quand un patineur sur glace plie ses bras tout en faisant tourner, la vitesse de rotation augmente considérablement. La raison de ceci est la conservation d'une grandeur physique connue sous le moment angulaire. Une particule de masse situé à l'extérieur de l'axe de rotation, exerce une plus grande résistance à la rotation d'une particule de masse située à l'intérieur de l'axe, ce qui signifie que la vitesse de rotation augmente à mesure que la particule de masse se déplace vers l'intérieur.
La simulation des écoulements turbulents est en train de devenir plus facile
Bodenschatz et son équipe ont observé un effet analogue dans l'eau turbulente. Le flux tendu tétraèdre de sorte qu'il est devenu plus mince. En outre, l'axe du tétraèdre de rotation aligné de façon qu'il soit parallèle à la direction d'étirement initial de l'écoulement. La vitesse du tétraèdre étiré de rotation en fin de compte a augmenté. "Pendant tout ce temps, le moment angulaire a été conservée», dit Bodenschatz. De cette façon, les dynamiques observées correspondent à une pirouette d'un patineur sur glace filer. Bodenschatz et ses collègues se réfèrent donc à ce que l ' «effet de pirouette".
Le fait que le moment angulaire du tourbillon est conservée dans le centre d'un liquide turbulent était quelque chose qui a surpris les physiciens. «Nous ne comprenons pas encore pourquoi cela est le cas," dit Bodenschatz. Les tourbillons dans le chaos d'un écoulement turbulent devraient effectivement l'expérience des forces de torsion qui changent leur moment angulaire. L'effet de pirouette montre que "un degré relativement élevé de l'ordre» qui prévaut dans le chaos d'un écoulement turbulent, dit le physicien.
Cet ordre dans le chaos peut être vu sur différentes échelles de taille. En utilisant la méthode décrite ci-dessus, les physiciens à base de Göttingen ont étudié avec des diamètres tourbillons allant de quelques millimètres à plusieurs centimètres. "Tous ont démontré l'effet de pirouette», dit Bodenschatz. "Notre résultat confirme le modèle de cascade d'énergie», explique le physicien. Depuis les années 1930, les chercheurs ont agi sous l'hypothèse que la cascade d'énergie a été fortement influencée par la dynamique des vortex. Selon ce concept, les tourbillons dans le tronçon d'écoulement et tournent plus vite autour de leur axe longitudinal - devenant ainsi instable et se décompose en petits tourbillons, qui subissent alors le même processus jusqu'à ce qu'une cascade est atteinte avec de très petits tourbillons.
Au cours des trente dernières années, cependant, cette notion semble être réfutée par des calculs selon lesquels l'axe de rotation n'aligne avec la direction le plus fort étirement du flux, mais reste verticale à cela. "Ces calculs, cependant, seulement examinés Snap Shots du champ d'écoulement", dit Bodenschatz. Ils représentent, pour ainsi dire, des instantanés. "Pour la première fois, d'autre part, nous avons surveillé la façon dont les tourbillons flottent avec le liquide», dit le physicien. Ceci est la seule façon de suivre le développement d'un vortex au cours du temps. Une analyse d'une particule flottante unique dans le flux a confirmé l'effet de pirouette, quelque chose qui a seulement été une hypothèse jusqu'à présente.
Bodenschatz voit ce résultat comme une étape vers la résolution d'un problème important dans la simulation par ordinateur des écoulements turbulents. "De nombreux aspects des écoulements turbulents peuvent déjà être simulés, mais on n'a pas encore été en mesure de simuler comment les différentes échelles de taille interagissent les uns avec les autres.» Il croit que cela pourrait changer si nous avons une meilleure compréhension de la dynamique des tourbillons de différentes tailles.