Les fibres rendent les turbulences chaotiques plus prévisibles

Les turbulences font partie des phénomènes les plus importants et en même temps les moins bien compris de la nature. De la météo à la circulation sanguine, en passant par les écoulements dans les cours d'eau et les réacteurs chimiques ou biologiques industriels, partout où des liquides et des gaz se déplacent, des hiérarchies de tourbillons déterminent la manière dont l'énergie se propage et se répercute localement. Les limites des modèles de prévision actuels sont en grande partie dues à la compréhension limitée des turbulences et de leurs interactions.

Des chercheurs de l'ETH Zurich viennent de mettre au point, avec des partenaires d'autres institutions de recherche, une méthode expérimentale inédite permettant d'appréhender de manière beaucoup plus précise et surtout plus simple les énergies des tourbillons dans les liquides sur toute la gamme d'échelles allant de quelques millimètres à des centaines de mètres. Cette méthode ouvre la voie à de bien meilleures prédictions et a le potentiel de contribuer à faire passer notre compréhension des mouvements chaotiques à un niveau supérieur.

Petit changement, grand effet

Markus Holzner et Stefano Brizzolara du groupe de mécanique des fluides environnementaux - une unité de recherche multidisciplinaire commune à l'Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage (WSL) et à l'Institut de recherche de l'eau (Eawag) du Domaine des EPF - ont pour cela abordé le problème de la mesure de la turbulence avec une approche entièrement nouvelle. Alors que les méthodes actuelles suivent les mouvements de particules de marquage sphériques, elles enregistrent les mouvements des extrémités de fibres rigides en suspension dans le liquide. Ce qui semble être une petite modification de la configuration expérimentale a d'énormes conséquences sur l'effort de mesure et sur la précision.

Les extrémités des fibres fournissent des données statistiquement nécessaires

La grande différence : les rotations des extrémités d'une seule fibre fournissent l'ensemble des données statistiques nécessaires à la caractérisation d'un mouvement tourbillonnaire et de son énergie. Jusqu'à présent, les chercheurs devaient utiliser un grand nombre de particules de marquage et, surtout, en utiliser toujours plus. En effet, les billes en suspension se répartissent automatiquement dans un liquide et leur distance moyenne augmente rapidement en raison de la diffusion turbulente.

Dans les environnements de laboratoire où les chercheurs saisissent le mouvement des particules en trois dimensions dans des boîtes de mesure transparentes et remplies d'eau, le nombre toujours croissant de particules à mesurer pousse toutefois la détection par caméra à ses limites de principe. Avec plus de 10 000 particules, celles-ci se cachent trop souvent les unes les autres. La résolution des mesures ne peut donc plus être augmentée.

Lors de l'analyse des courants et des tourbillons en haute mer, le remplacement permanent d'un grand nombre de bouées de repérage, comme c'est le cas avec la méthode traditionnelle en raison de la dérive constante des bouées, n'entraîne pas seulement des coûts matériels élevés. Le temps nécessaire augmente également en conséquence, comme l'explique Holzner. Mais si les bouées sont reliées par des câbles pour former des fibres géantes, elles ne peuvent plus dériver les unes par rapport aux autres.

Une fibre rigide tourne de la même manière que le liquide

Pour prouver la pertinence pratique du principe, les chercheurs de l'ETH ont testé leur système de manière intensive. Pour cela, ils ont utilisé un système de mesure de la vitesse des particules en 3D, comme celui utilisé pour les analyses avec des particules sphériques. Ils ont ainsi pu montrer, entre autres, que les fibres rigides donnent d'aussi bons résultats que les fibres flexibles.

Le travail de calcul est toutefois beaucoup moins important dans le cas d'une géométrie fixe. Cela s'explique par le fait que la fibre solide tourne toujours à la vitesse du tourbillon, car la viscosité empêche le liquide de glisser sur une fibre solide. En revanche, les fibres flexibles ne tournent pas seulement avec le mouvement de tourbillon du liquide, mais elles se courbent également et oscillent à une fréquence tout aussi importante.

Des marées aux valves cardiaques

Selon Holzner, l'un des grands avantages de la méthode de mesure par fibres réside dans son extraordinaire transférabilité à tous les rapports de taille pertinents pour les phénomènes tourbillonnaires, de quelques millimètres à plusieurs centaines de mètres. Pour analyser les tourbillons en mer, par exemple, la fibre peut être conçue à partir de deux bouées équipées d'un GPS, qui marquent les extrémités et sont reliées par un câble d'une centaine de mètres. Les mesures des mouvements des bouées permettent ensuite de calculer, par exemple, des prévisions sur la propagation des pollutions par les hydrocarbures ou les déchets plastiques.

A l'autre bout de l'échelle, il y a la compréhension des formations de tourbillons dans les valves cardiaques, qui peuvent être une cause de problèmes de santé. Dans ce domaine, il est par exemple possible de faire des expériences avec des fibres de l'ordre du millimètre dans des modèles en silicone.

Les portes vers de nouvelles connaissances

Lors des premières présentations de ses travaux de recherche à des congrès scientifiques, Brizzolara a constaté que la méthode des fibres inspire également d'autres chercheurs. Quelqu'un veut adapter le système à un grand modèle physique pour des simulations de marée et d'autres prévoient des essais avec des arrangements spécifiques de plusieurs fibres.

"En science, les nouvelles méthodes expérimentales ouvrent toujours des portes vers de nouvelles connaissances", comme le chercheur le sait par expérience. La méthode de mesure de l'ETH pour les turbulences a le potentiel de rendre les systèmes d'écoulement, en principe chaotiques, un peu plus calculables et de permettre ainsi, entre autres, de meilleurs modèles de prévision.