Turbulence

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Tourbillon et turbulences dans une rivière

Léonard de Vinci s'est notamment passionné pour l'étude des turbulences qui après lui n'a pas progressé durant presque 400 ans, avant que l'ingénieur irlandais Osborne Reynolds prolonge ses travaux, en 1883^[1]

date_naissance = 23 août 1842

La turbulence désigne l'état d'un fluide, liquide ou gaz, dans lequel la vitesse présente en tout point un caractère tourbillonnaire : tourbillons dont la taille, la localisation et l'orientation varient constamment. Les écoulements turbulents se caractérisent donc par une apparence très désordonnée, un comportement difficilement prévisible et l'existence de nombreuses échelles spatiales et temporelles. De tels écoulements apparaissent lorsque la source d'énergie cinétique qui met le fluide en mouvement est relativement intense devant les forces de viscosité que le fluide oppose pour se déplacer. À l'inverse, on appelle laminaire le caractère d'un écoulement régulier. La découverte et l'étude des turbulences est très ancienne, elle a été par exemple faite par Léonard de Vinci^[2].

Théorie

Le comportement complexe des écoulements turbulents est la plupart du temps abordé par la voie statistique. On peut ainsi considérer que l'étude de la turbulence fait partie de la physique statistique. Pour traduire le fait que, dans un écoulement, les forces d'inertie l'emportent sur les forces de viscosité, un nombre de Reynolds convenablement choisi doit être supérieur à un certain seuil. Pour l'étude des turbulences en milieu naturel, il est préférable d'utiliser le nombre de Richardson plutôt que celui de Reynolds, car ce dernier considère la densité du fluide comme constante, ce qui n'est pas vrai dans le cas des fluides compressibles.

Une propriété classiquement mise en avant d'un écoulement turbulent réside dans un processus appelé cascade d'énergie : la division des grands tourbillons en tourbillons plus petits permet un transfert d'énergie des grandes échelles vers les petites échelles. Ce processus est limité par l'effet de la dissipation moléculaire, qui empêche les variations de vitesse trop importantes. En pratique, ce transfert d'énergie n'est pas à sens unique, le phénomène d'appariement tourbillonnaire (en anglais backscatter) permettant le transfert ponctuel de petites structures tourbillonnaires (qui fusionnent) vers une ou plusieurs structures plus grandes.

Article détaillé : Dimension de Kolmogorov.

Article détaillé : Modélisation des turbulences.

La physique des turbulences est en plein essor grâce à la généralisation des instruments de mesure (comme les free falling profilers ou les sondes à effet Doppler-Fizeau pour l'étude des turbulences en milieu aquatique), et à la réduction progressive de leur coût. Depuis les années 1970, la mécanique des fluides numérique permet aux chercheurs d'étudier la turbulence, principalement en utilisant une approche de simulation numérique directe.

Effets

Dans le domaine des transports

Tourbillon marginal (turbulence) d'une aile d'avion

La turbulence augmente la traînée des objets en mouvements pour des nombres de Reynolds élevés. Cependant, provoquer la turbulence peut retarder le décollement de la couche limite et de ce fait diminuer le coefficient de traînée. Par exemple certaines combinaisons de nageurs sont munies d'écailles, pour générer une turbulence sur la surface ; les concavités présentes à la surface des balles de golf jouent le même rôle, ainsi que les turbulateurs à la surface des avions autrement appelés générateurs de vortex.

Dans l'environnement

Modification (par le balancement d'un arbre) des turbulences qu'il génère dans le vent. la réalité est bien plus complexe (cf. percolation du flux dans les branches et feuilles qui sont des obstacles plus ou moins élastiques)

Ils ont un rôle écologique important.

• Dans l'eau les turbulences contribuent au mélange des couches thermiques, salines, acides ou plus ou moins oxygénées ou anoxiques, mais aussi à une érosion non-homogène et par suite à la turbidité, la remise en suspension ou dans les zones de moindre turbulence aux dépôts différentiés de particules (selon masse et granulométrie). Beaucoup d’organismes aquatiques savent utiliser des turbulences et notamment les contre courants qu'elles génèrent localement pour se déplacer en consommant moins d'énergie.
• Face au vent, la rugosité du paysage et en particulier la rugosité "molle" (celle des forêts, bocages, savanes, par rapport aux roches et immeubles qui ne bougent pas) des arbres a un impact important sur les vents (atténuation de la force du vent dans les basses couches de l'atmosphère, et les turbulences, et indirectement sur les envols ou dépôts de poussières la température, l'évaporation, le mélange de la partie basse de la colonne d'air (de la hauteur des pots d'échappement à la hauteur où sont émis les panaches de cheminées d'usine ou de chaudières urbaines par exemple), la régularité du vent (important pour les installations d'éoliennes ou de fermes éoliennes)... Kalnay et Cai dans la revue Nature avaient en 2003 posé l'hypothèse que les arbres freinaient significativement le vent. En forêt tropicale dense, hormis lors des tempêtes, au sol on ne sent presque plus les effets du vent. La plupart des arbres n'y produisent leurs puissants contreforts que quand ils émergent au niveau de la canopée où ils sont alors exposés à un éventuel déracinement par le vent.
  On a récemment réanalysé les données météorologiques de mesure des vents de surface (vent a 10m de hauteur) qui confirment dans l’hémisphère nord une tendance au ralentissement ; Il semble que les forêts puissent, dans une certaine mesure, freiner le vent et la désertification l'exacerber. Là où la forêt a regagné du terrain, la force du vent a diminué (de 5 à 15%)^[3], de manière d'autant plus visible que le vent est fort. Les vents géostrophiques (induits par les variations de pression atmosphérique) n'ont pas diminué, et les aéroradiosondes ne montrent pas de tendance au ralentissement en altitude^[4].
• Le bocage est une structure écopaysagère qui modifie également les effets du vent en créant des microclimats atténuant le vent, mais aussi les chocs thermohygrométriques et l'érosion des sols ;
  Les turbulences générées par les arbres, haies et forêts ont une grande importance pour les microclimats bocager et forestiers, pour la circulation aériennes des pollens, d'invertébrés et microorganismes aéroportés, de propagules (ex : spores de mousses, lichens et autres épiphytes), mais aussi de phytohormones et d'odeurs aéroportées (parfum floral qui attire abeilles ou papillons pollinisateurs ou hôtes par exemple, ou hormones de stress qui attirent d'autres espèces.).
  Le mouvement des feuilles laisse la lumière pénétrer plus profondément dans le houppier et au sol. Les buisson, bosquet, haie, ou massif forestiers auront des effets différents, assez importants parfois pour freiner le vent de 5 à 15 % dans la couche des 10 à 20 m au dessus du sol.
• Inversement, dans l'eau, la mobilité de certains animaux aquatiques (poissons, têtards en particulier, mais aussi petits organismes tels que daphnies, crustacés) sont source de turbulences et microturbulences qui jouent un rôle dans le mélange de couches. On peut parler de microturbulence ou de nanoturbulence pour les mouvements induits par Les bactéries à flagelle.
  Le système nerveux de certains poissons est très sensible aux turbulence, ce qui leur permet notamment de détecter l'attaque proche d'un prédateur.

Dans le domaine de la météorologie

La turbulence explique les variations des courants marins et des vents atmosphériques. Elle est aussi étudiée en aéronautique (jets des réacteurs, chambres de combustion, sillages des aubes et compresseurs, etc.), dans l'industrie chimique (efficacité considérable du processus de mélange turbulent), ainsi qu'en acoustique, en géophysique, etc.

En astronomie

La turbulence atmosphérique est le frein majeur aux observations astronomiques effectuées depuis la Terre.
Elle a pour effet de disperser la lumière de façon fluctuante et aléatoire. Les dispositifs d'optique adaptative permettent de compenser en partie ces distorsions parasites.

Article détaillé : turbulence de sillage.

Voir aussi

1. ↑ CNRS, (Léonard) de Vinci & la turbulence, consulté 2011-11-08
2. ↑ http://www.cnrs.fr/sciencespourtous/abecedaire/pages/vinci.htm
3. ↑ Robert Vautard (CEA/CNRS/UVSQ), Julien Cattiaux, Pascal Yiou, Jean-Noël Thépaut, Philippe Ciais, Northern Hemisphere atmospheric stilling partly attributed to an increase in surface roughness, ; Nature Geoscience, en ligne : 17 oct 210 (Résumé en anglais, graphiques)
4. ↑ Gruber, C. and Haimberger, L. On the homogeneity of radiosonde wind time series. Meteorologische Zeitschrift,17, 631-643 (2008).

Articles connexes

• Dimension de Kolmogorov
• Turbulence de sillage
• Couche limite
• Écoulement laminaire
• Convection

Lien externe

• (fr) Wavelets & Turbulence : Utilisation de la représentation en ondelettes pour l'étude de la turbulence