Prédire les mouvements de l'interface entre écoulement turbulent et non turbulent

Résultat scientifique Mécanique des fluides

Des chercheurs du LMFL et de l’Université de Surrey (UK) ont établi une nouvelle loi, vérifiée expérimentalement, qui détermine la vitesse de déplacement de l'interface entre l'écoulement turbulent et non turbulent dans un jet de fluide. Ces résultats, qui permettent de mieux comprendre les phénomènes de turbulence présents dans l'environnement comme dans l'industrie, sont publiés dans la revue Physical Review Letters.

La turbulence est partout : dans l'atmosphère, dans les océans, dans le sillage des véhicules, mais aussi dans de nombreux procédés industriels (jets, mélanges...). Mieux comprendre la turbulence et ses conséquences constitue par conséquent un véritable enjeu.

Des chercheurs du Laboratoire de Mécanique des fluides de Lille, Kampé de Feriet (LMFL, CNRS/Arts et Métiers ParisTech/Onera/Centrale Lille) et de l’Université de Surrey (UK) se sont focalisés sur une partie remarquable du phénomène : l'interface entre les parties turbulentes et non turbulentes de l'écoulement d'un fluide. Cette interface d'environ un millimètre d'épaisseur dans un écoulement d'air joue un rôle clé dans la manière dont l'écoulement entraîne les fluides ambiants, que ce soit dans des processus naturels ou industriels.

Les chercheurs se sont intéressés plus précisément au mouvement de cette interface dans le cas d'un jet planaire. La fine barrière entre les deux types d'écoulement se déplace, et savoir évaluer sa vitesse moyenne permettrait de mieux comprendre et prédire les phénomènes de turbulence.

Jusqu'ici, les calculs théoriques ne parvenaient pas à prendre en compte de manière satisfaisante le mouvement de l'interface. Le modèle mis au point au LMFL propose une nouvelle formule pour calculer sa vitesse : la vitesse moyenne de l'interface varie comme le rapport ν/λ, où ν est la viscosité cinématique du fluide, et λ représente l'ordre de grandeur des plus petits tourbillons dans la partie turbulente de l'écoulement. Ces deux paramètres peuvent être calculés ou mesurés. La validité de la nouvelle formule a été confirmée expérimentalement par des mesures de vélocimétrie par images de particules1.

Pour progresser encore dans la compréhension de ces phénomènes, l'équipe veut maintenant s'intéresser à d'autres types d'écoulements turbulents, notamment les sillages créés par des objets (véhicules, bâtiments, arbres...).

Visualisation d'une simulation numérique haute-fidélité d'un jet, montrant l'interface abrupte entre la partie turbulente (en couleurs) et la partie non-turbulente. © LMFL (CNRS/Arts et Métiers ParisTech/Onera/Centrale Lille)
Visualisation d'une simulation numérique haute-fidélité d'un jet, montrant l'interface abrupte entre la partie turbulente (en couleurs) et la partie non-turbulente.
© LMFL (CNRS/Arts et Métiers ParisTech/Onera/Centrale Lille)

Références
Non-equilibrium Scaling of the Turbulent-Nonturbulent Interface Speed in Planar Jets
G. Cafiero  and J. C. Vassilicos
Phys. Rev. Lett. 125, 174501 – Published 19 October 2020
DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.174501
Article disponible sur la base d’archives ouvertes HAL.

  • 1. La vélocimétrie par images de particules est une méthode optique utilisant des lasers et des caméras pour visualiser des flux et mesurer des vitesses dans des fluides.

Contact

J. Christos Vassilicos
Directeur de recherche au CNRS, Laboratoire de mécanique des fluides de Lille, Kampé de Fériet (CNRS/Arts et Métiers ParisTech/Onera/Centrale Lille)
Communication INSIS