vendredi 8 avril 2016

Turbulence autour de transport de chaleur

le transport de la chaleur dans le manteau de la terre et dans l'atmosphère n'est probablement pas aussi efficace que ne le pensait
Non seulement dans le manteau de la Terre, dans l'atmosphère et dans les couches extérieures du Soleil, mais aussi dans un réacteur chimique, l'échange de chaleur peut ne pas être aussi efficace que le pensait initialement. Là, parce que la hausse des fluides chauds et donc induit le mouvement, la convection turbulente peut être de 100 milliards de fois plus forte que dans le pot de cuisson typique. Les fluides chauds se mélangent avec des fluides chauds turbulent. Comme la différence de température entre les côtés chaud et froid augmente, les transports de chaleur augmentent de façon exponentielle. Quand la turbulence est très forte, la croissance exponentielle diminue double. Des physiciens de l'Institut Max Planck de dynamique et d'auto-organisation, Université de Californie à Santa Barbara, et le Centre national français de la Recherche Scientifique dans le rapport Nancy cette découverte dans le issule actuel de New Journal of Physics. La théorie de longue date pour le transport turbulent convective de 1962 à la chaleur avait prédit que la croissance exponentielle augmenterait. Maintenant, la théorie devra être reconsidérée. (New Journal of Physics, le 1er Décembre, 2009).
À certains égards, le dispositif expérimental d’Eberhard Bodenschatz et ses collègues est similaire à une cocotte-minute gigantesque - même si le directeur à l'Institut Max Planck de dynamique et d'auto-organisation appelle (en raison de sa forme), le "sous-marin Göttingen". Dans le sous-marin hermétiquement scellé, un haut récipient à deux mètres d'un mètre de diamètre est chauffé par le bas et on le refroidit au-dessus. En entre-deux, un gaz sous pression est mélangé par convection turbulente, où le gaz chaud monte de la plaque chaude et puits de celui cool. La principale différence est que la convection dans le "sous-marin Göttingen" est un million de fois plus forte que dans une marmite. Avec cela, les scientifiques veulent en apprendre davantage sur la turbulence dans le manteau de la Terre, dans l'atmosphère et dans les couches extérieures du Soleil, où la convection est encore 100.000 fois plus forte.
"Nous avons mesuré le transport de chaleur de très forte convection et trouvé qu'il est complètement différent de ce que nous attendons sur la base de la théorie établie précédemment», explique Eberhard Bodenschatz. Plus la turbulence mélange le gaz chaud et le froid, plus le transport de chaleur à partir du bas chaud au sommet froid sera - essentiellement les transports de chaleur augmente de façon exponentielle. L'équipe a mesuré cette augmentation et a constaté, de façon surprenante, que l'exposant dans la loi diminue par la puissance de deux. Pour une différence de température donnée, non seulement une mais deux états ont été observés; une fois où l'exposant se situe de 0,308 à 0,253, et, parfois, pour une deuxième fois à 0,17. En 1962, le physicien américain Robert Kraichnan prédit que l'exposant devrait augmenter de 0,3 à 0,4, puis devrait être à peu près constante dans ce régime ultime de la turbulence thermique. "En attendant, nous avons effectué plusieurs mesures au niveau de turbulence élevée et encore trouvé un autre état avec éventuellement un autre exposant" dit Eberhard Bodenschatz: "Cette fois-ci, il peut être le régime Kraichnan prédit La multiplicité des états et les exposants nous déconcerte, comme. les processus physiques doivent encore être compris ".
Pour mieux comprendre cela, nous allons jeter un coup d'œil de plus près à la «marmite» dans le sous-marin. Sur les plaques inférieure et supérieure, la chaleur est conduite à travers une couche limite thermique de quelques centaines de microns d'épaisseur dans le gaz. Ici, un panache thermique se développe qui transporte du gaz chaud ou du froid à l'intérieur du récipient. Il est bien connu que les panaches de ce type forment une lampe à lave - pour des raisons encore inconnues cependant, la hausse et la baisse des panaches fusionnent pour créer une grande circulation qui coule jusqu'à un côté et tombe sur l'autre. Selon la théorie de Kraichnan, cette circulation devrait conduire la couche limite pour devenir turbulent. A partir de là, la conduction de chaleur devrait augmenter plus rapidement. "Au lieu de cela l'efficacité diminue et nous trouvons deux états au lieu d'un», dit Eberhard Bodenschatz: "Somehow les couches limites sont en train de changer, mais nous ne savons pas comment".
Pour étudier le transport de chaleur dans une planète comme la Terre ou d'une étoile comme le Soleil est finalement difficile. Même si les scientifiques ne veulent que d'étudier la turbulence lui-même, les conditions sont difficiles à réaliser dans le laboratoire. Par conséquent, les données expérimentales connues sont très limitées. "Récemment, avec le sous - marin , nous avons pu atteindre des niveaux de turbulence très élevés en utilisant un haut récipient et hexafluorure de soufre de deux mètres (SF 6) à 20 fois la pression atmosphérique» , explique Eberhard Bodenschatz.
Les données expérimentales de Guenter Ahlers, Denis Funfschilling et Eberhard Bodenschatz pose une énigme qui mettra au défi les théoriciens et expérimentateurs semblables. L'équipe internationale est déjà sur la voie de la conception d'une expérience qui peut résoudre les fines échelles de la couche limite. Les résultats donneront un aperçu plus approfondi des processus convectifs dans la Terre, l'atmosphère et le Soleil, ainsi que le potentiel d'optimiser le transfert de chaleur dans les réacteurs industriels.