Les chercheurs de Max Planck de Göttingen répondent à la question de la façon dont les particules se séparent en turbulence vieux de plusieurs décennies
La turbulence se trouve partout: dans le soleil et dans une tasse de café, dans un moteur à turbine et en biologie. Comment fonctionne la turbulence est l'un des problèmes non résolus de longue date pour les scientifiques et les ingénieurs. Maintenant, cependant, les chercheurs ont été en mesure de tester expérimentalement, plusieurs décennies les vieilles théories sur la façon dont les particules se séparent en forte turbulence; le travail a été fait par des scientifiques de l'Institut Max Planck de dynamique et d'auto-organisation à Göttingen, Allemagne; Université Cornell aux États-Unis; le Laboratoire de géophysique et Fluid industrielle Flux au CNRS à Grenoble, France; et le Laboratoire national de Risø à Roskilde, au Danemark. Les scientifiques ont développé leur propre système de caméras à haute vitesse; avec eux, ils ont montré que les particules se déplacent plus lentement que ce qui avait été prédit. Ces résultats pourraient conduire à de meilleurs modèles de transport et de séparation des produits chimiques et substances biologiques.
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Les particules dans la turbulence. Les petites
sphères sont une
visualisation de toute autre
image prise par une
caméra à grande vitesse –
un ...
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La turbulence Fluid est partout dans le monde qui nous entoure. Elle nous concerne tous sur une base quotidienne, que ce soit en remuant le lait dans notre tasse de café le matin, le mélange des gaz de combustion dans un brûleur, ou dans la propagation de polluants ou de bioagents dans l'atmosphère. Les biologistes essaient d'apprendre comment les animaux cherchent des partenaires et proies suivantes senteurs transportées par le vent et l'eau des écoulements turbulents. Turbulence influe également sur la façon dont il est probable que deux agents vont se réunir et de réagir chimiquement - comment la pollution ou des poisons dispersés et fluctuent à travers les océans et l'air. La turbulence affecte également la façon dont se forment les nuages et l'ozone atmosphérique se raréfient.
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25 micromètre grandes sphères de polystyrène sont
ballottés dans un flux. Un laser vert les lumières et
l'obturateur de l' appareil photo est ..
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La turbulence se produit naturellement quand un fluide, comme l'air ou l'eau, est poussé à grande vitesse ou à grande échelle, et se caractérise par des modèles de flux chaotiques, apparemment aléatoires. Il est plus facilement reconnaissable lorsque les «particules» sont ballottés dans un flux, comme lorsque les feuilles dansent dans un vent d'automne ou de rubans de brume apparaissent derrière un excès de vitesse de la voiture sur une route mouillée. Pendant des décennies, les scientifiques ont tenté de comprendre comment exactement la turbulence qui se passe. Une de leurs principales questions a été: lorsque des particules commencent près de l'autre, combien de temps faut-il pour la turbulence de les séparer? Dans les années 1920, un scientifique britannique, Lewis Fry Richardson, a prédit que la séparation quadratique moyenne d'une paire d'éléments de fluide devrait croître comme la troisième puissance du temps. Ce résultat, connu comme la loi de Richardson-Obuhov, est couramment utilisé dans les modèles de transport dans la turbulence. En raison d'une grande complexité de la turbulence, la loi suppose que la séparation d'écoulement est indépendante de la distance d'origine entre les particules.
Dans les années 1950, cependant, l'australien George Batchelor à Cambridge a conçu une autre formule de séparation qui est en effet fonction de la distance initiale entre les particules. Il a vu la séparation de paire en augmentant avec le temps au carré, et a en outre suggéré que la loi Richardson-Obukhov serait, à long terme, être obéi.
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Le dispositif expérimental. Deux moteurs
et hélices spécialement conçues mélange
100 litres d'eau au-dessus et au-dessous.
Le ..
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Maintenant, une équipe de recherche allemand-français-États-Unis, dirigée par le professeur Eberhard Bodenschatz, a testé expérimentalement les deux théories. Ils ont créé un système de suivi des particules de trois caméras à haute vitesse et un laser très lumineux (images 2, 3). Les scientifiques ont mis très petites particules dans les flux d'eau turbulents (image 1) et ont mesuré les mouvements de particules. Les caméras ont enregistré la distance entre les particules plus de 25.000 fois par seconde. Cela représente environ un million de fois plus petit et plus rapide que le mouvement de deux flocons de neige dans une tempête de neige.
Les chercheurs ont trouvé des résultats en excellent accord avec les prédictions de Batchelor, mais qui n'a pas respecté la loi Richardson-Obukhov. Contrairement aux attentes communes, la formule de Batchelor semble prédire le mouvement des particules dans à peu près tous les écoulements turbulents sur la Terre; particule distance de séparation peut en effet avoir son influence. Les mesures suggèrent également que les particules se déplacent plus lentement loin de l'autre qu'on ne le pensait.
Ces résultats pourraient avoir des implications pour un certain nombre de domaines de la science et de l'ingénierie, de se mélanger efficacement des matériaux industriels à la modélisation de l'intérieur des étoiles.