Comment l'écoulement d'un fluide dans un tuyau devient turbulent
Un chercheur du CNRS, au sein d'une équipe internationale, vient de révéler comment s'effectue la transition entre régimes d'écoulement laminaire et turbulent lors de la circulation d'un fluide dans un tuyau. Ce résultat, établi grâce à des mesures expérimentales et des simulations numériques, est publié dans la revue Nature Physics.
L'écoulement d'un fluide dans un tuyau, peut être laminaire (régulier et prédictible), ou au contraire turbulent (irrégulier et imprédictible), selon sa vitesse, sa viscosité, et le diamètre de la canalisation. La transition entre les deux régimes d’écoulement, et l'existence de bouffées de turbulence qui émergent localement du flux laminaire, ont été observées depuis plus d'un siècle. Mais jusqu'ici, aucune description précise de ce phénomène n'avait pu être établie. Une théorie proposée il y a quelques décennies suggère que la transition vers la turbulence peut être décrite comme une transition de phase continue, comparable à un changement d'état (solide/liquide liquide/gaz...) ou au changement des propriétés magnétiques d'un matériau. Mais elle n'a pu être confirmée expérimentalement que pour des écoulements simplifiés. En effet, observer la formation et l'évolution d'une bouffée de turbulence dans une canalisation demanderait des longueurs de tuyau et des durées de mesure impossibles à réaliser.
Pour contourner cet obstacle, un chercheur du Laboratoire ondes et milieux complexes (LOMC, Université Le Havre Normandie/CNRS), en collaboration avec plusieurs laboratoires internationaux, a réalisé des mesures expérimentales et des simulations numériques qui permettent de comprendre comment s'effectue la transition entre les deux régimes d'écoulement. Le dispositif expérimental, une tuyauterie équipée de capteurs de pression régulièrement espacés, et d'un système qui génère des bouffées de turbulence dans le fluide de manière contrôlée, visait à mesurer les interactions entre deux bouffées (répulsion, division, disparition...). De nombreuses expériences ont permis d'établir des statistiques, et ces données ont servi d'entrées pour des simulations numériques. Les résultats ont confirmé que la transition vers la turbulence de l'écoulement d'un fluide dans un tuyau est bien décrite par un modèle de transition de phase.
De plus, l'étude a permis de découvrir l'existence, lors de la transition de l'écoulement laminaire vers la turbulence, d'une phase d'embouteillage (jamming) des bouffées dans la tuyauterie. Ce phénomène, qui pourrait jouer un rôle dans l'évolution du fluide vers un écoulement entièrement turbulent, est l'objet d'un nouveau projet de recherche.
Zoom: Simulation numérique d'une bouffée turbulente.
© Grégoire Lemoult
Références
Directed percolation and puff jamming near the transition to pipe turbulence.
Grégoire Lemoult, Vasudevan Mukund, Hong-Yan Shih, Gaute Linga, Joachim Mathiesen, Nigel Goldenfeld & Björn Hof.
Nature Physics, publié le 27 mai 2024.
https://doi.org/10.1038/s41567-024-02513-0