Turbulenţă

Turbulența se referă la starea de curgere a unui fluid , lichid sau gaz, în care viteza de prezent în orice moment într - un caracter turbionar vârtejuri a cărui dimensiune, localizarea și orientarea constantă variază. Fluxurile turbulente sunt, prin urmare, caracterizate printr-un aspect foarte dezordonat, un comportament dificil de prezis și existența multor scale spațiale și temporale. Astfel de fluxuri apar atunci când sursa de energie cinetică care pune în mișcare fluidul este relativ intensă în comparație cu forțele vâscoase pe care le opune fluidul pentru a se mișca. În schimb, caracterul unui flux regulat se numește laminar .

Descoperirea și studiul turbulențelor sunt foarte vechi, a fost descrisă de exemplu de Leonardo da Vinci care, după el, nu a progresat aproape 400 de ani, înainte ca inginerul irlandez Osborne Reynolds să-și extindă activitatea în 1883.

Descriere

Comportamentul complex al fluxurilor turbulente este abordat de cele mai multe ori statistic. Putem considera astfel că studiul turbulenței face parte din fizica statistică . Pentru a reflecta faptul că, într-un flux, forțele de inerție depășesc forțele vâscozității, un număr Reynolds ales corespunzător trebuie să fie mai mare decât un anumit prag. Acest prag variază în funcție de aplicație.

O proprietate prezentată clasic a unui flux turbulent rezidă într-un proces numit cascadă turbulentă (sau cascadă Richardson ): împărțirea vârtejurilor mari în vârtejuri mai mici permite un transfer de energie de la scările mari la scările mici date de dimensiunea Kolmogorov . La sfârșitul acestui transfer, vârtejurile mai mici disipă energia pe care au primit-o de la vârtejurile mai mari (cum ar fi depresiunile meteo și ciclonii tropicali, de exemplu). De fapt, pentru aceste vârtejuri mici, disiparea moleculară încetinește variațiile excesive de viteză datorită vâscozității fluidului luat în considerare. Această cascadă turbulentă explică, de exemplu, atenuarea treptată și moartea ciclonilor tropicali și a depresiunilor meteorologice, precum și transformarea energiei lor cinetice în căldură. Dar explică, de asemenea, la o scară mai mică, disiparea trezii unei mașini sau a unui avion.

Vortexul străzii din imaginea de mai jos poate fi astfel văzut ca ultima metamorfoză a ciclonului din imaginea anterioară (sau, de altfel, ultimul efect local al trecerii unui camion).

Buclă radar care arată sosirea uraganului Katrina în Louisiana .
Animația unui vârtej la un colț de stradă.
Vârtej și turbulențe într-un râu.

Este important să subliniem că fără disiparea permanentă a acestei cascade Richardson, fenomene meteorologice precum depresiuni, tornade și vârtejuri de praf ar dura la nesfârșit, iar viața umană ar fi total diferită. Contribuția energiei solare, care este sursa de energie a mașinii planetare (oceanică și atmosferică), nu se oprește niciodată, am putea duce doar la o întărire continuă a curenților oceanici și atmosferici. În practică, acest proces de disipare a energiei (cascada turbulentă) nu este neapărat unidirecțional, totuși, fenomenul împerecherii vortexului (în engleză backscatter ) care permite transferul punctual al structurilor vortexului mic (care fuzionează) către una sau mai multe mai mari structuri.

Fizica turbulenței este în plină expansiune datorită generalizării instrumentelor de măsurare (cum ar fi profilerele optice cu cădere liberă sau sondele cu efect Doppler-Fizeau pentru studiul turbulenței în mediile acvatice) și reducerea progresivă a costurilor acestora. Din anii 1970, modelarea numerică a turbulenței a permis cercetătorilor să studieze fenomenul la scară mică, folosind în special abordarea numită Simulation des Grandes Structures (SGS) de la Turbulence sau Large Eddy Simulation (LES) în limba engleză.

Cuantificare

În cazul unui flux incompresibil, turbulența poate fi cuantificată folosind instrumentul statistic „ deviație standard ”.

Având în vedere o serie de n măsurători de viteză într-un punct, abaterea standard poate fi definită prin următoarea formulă:

{\ displaystyle \ sigma _ {X}: = {\ sqrt {{\ frac {1} {n}} \ sum _ {i = 1} ^ {n} (u_ {i} - {\ bar {U}} ) ^ {2}}}}

$u_i$ fiind viteza în acest moment ${\ displaystyle n_ {i}}$

și valoarea medie a vitezei ${\ displaystyle {\ bar {U}}}$

Turbulența exprimată în%, adesea notată Tu, corespunde apoi cu:

{\ displaystyle Tu [\%] = {\ frac {100 * \ sigma _ {X}} {\ bar {U}}}}

Efecte

În transporturi

Turbulența crește rezistența la frecare a obiectelor în mișcare pentru un număr mare de Reynolds (cele care guvernează mișcările obiectelor de zi cu zi: vehicule, aeronave și proiectile sportive). Cu toate acestea, cauzând tranziția existent stratului limită în jurul unui corp de la regimul laminar la regimul turbulent poate întârzia desprinderea acestui strat limită și prin aceasta la reducerea presiunii tragere a corpului (cu o ușoară tragere creștere frecare, bilanțul restant oricât de larg pozitivă). De exemplu, unele costume de înotători sunt echipate cu cântare, pentru a genera turbulențe; concavitățile prezente pe suprafața mingilor de golf joacă același rol (vezi criza de tragere a sferei), la fel ca și turbulatoarele de pe suprafața avioanelor, altfel numite generatoare de vortex . Aceste dispozitive care vizează modificarea fluxului de fluid care trece în jurul obiectului (aeronavă, proiectil etc.) intră în categoria controlului fluxului .

În meteorologie și oceanografie

Există mai multe fenomene turbulente în atmosferă și oceane. Unele sunt conectate la convecție în timpul încălzirii straturilor inferioare ale acestor fluide. Acestea devin mai puțin dense decât straturile superioare și vor crește, ceea ce va schimba distribuția vitezei fluidului atât pe verticală, cât și pe orizontală.

Altele sunt legate de alunecarea straturilor stabile, dar având densități diferite, una peste alta. Aceasta se numește forfecare . Cele valuri Kelvin-Helmholtz sunt generate în acest mod și să introducă o rotație similară cu un val care rupe la ridicarea joncțiunea straturilor. Există, de asemenea, turbulențe mecanice care apar atunci când fluidul atmosferic sau oceanic este forțat să depășească un obstacol. Acest lucru are ca rezultat o undă gravitațională care poate genera turbulențe sub formă de rotoare . Acesta este un fenomen meteorologic complex numit val de munte . Rotoarele sunt apoi formate în stratul de sub-undă.

Turbulența explică deci variațiile locale ale curenților marini și ale vânturilor atmosferice.

În mediul înconjurător

Au un rol ecologic important.

În apă, turbulența contribuie la amestecarea straturilor termice, saline, acide sau mai mult sau mai puțin oxigenate sau anoxice , dar și la eroziunea neomogenă și, în consecință, la turbiditate , resuspendare sau în zone cu mai puține turbulențe. Depozite diferențiate de particule (în funcție de masă și dimensiunea particulelor). Multe organisme acvatice știu cum să folosească turbulența și, în special, contracurentele pe care le generează local pentru a se deplasa consumând mai puțină energie.
Confruntat cu vântul, rugozitatea peisajului și în special așa-numita rugozitate „moale” a vegetației (spre deosebire de cea a rocilor și clădirilor, de exemplu) are un impact semnificativ asupra vânturilor (atenuarea forței vânt în straturile joase ale atmosferei), turbulențe și, indirect, pe depozitele aeriene sau de praf, temperatura, evaporarea, amestecarea părții inferioare a coloanei de aer (de la înălțimea țevilor de evacuare la înălțimea la care se se emit coșuri de fabrică sau cazane urbane), regularitatea vântului (importantă pentru instalațiile de turbine eoliene sau parcuri eoliene ) etc.

Kalnay și Cai din revista Nature din 2003 au emis ipoteza că copacii au încetinit semnificativ vântul. Într-adevăr, în pădurea tropicală densă, cu excepția furtunilor, efectele vântului sunt aproape imperceptibile de la sol. Majoritatea copacilor își produc contraforturile puternice acolo numai atunci când apar la nivelul baldachinului, unde sunt apoi expuși la posibilul dezrădăcinare de către vânt.

Recent am reanalizat datele meteorologice care măsoară vânturile de la suprafață (până la 10 metri înălțime), ceea ce confirmă o tendință de încetinire în emisfera nordică ; se pare că pădurile pot, într-o oarecare măsură, să limiteze vântul în timp ce deșertificarea îl exacerbează. Acolo unde pădurea a recâștigat teren, forța vântului a scăzut (de la 5 la 15%), iar acest lucru este cu atât mai vizibil cu cât vântul este puternic. De vânturile geostrophic (induse de modificările presiunii atmosferice) nu sa diminuat, iar aéroradiosondes nu prezintă o tendință încetinire altitudine.

Bocage este o eco - peisaj structură care modifică , de asemenea , efectele vântului , prin crearea de micro- climate care atenuează vântul, dar și șocurile termohigrometrice și eroziunea solului. Turbulențele generate de copaci, garduri vii și păduri sunt de o mare importanță pentru bocage și microclimatele pădurilor , pentru circulația aeriană a polenilor, nevertebratelor și microorganismelor aeriene, propagulelor (de exemplu: spori de mușchi , licheni și alte epifite ), dar și fitohormoni și mirosuri aeriene (parfum floral care atrage albinele sau fluturi polenizatori sau gazde, de exemplu, sau hormoni de stres care atrag alte specii). Mișcarea frunzelor permite luminii să pătrundă mai adânc în coroană și în pământ. Tufișul, crângul, gardul viu sau masivul pădurii vor avea efecte diferite, uneori destul de importante pentru a încetini vântul cu 5 până la 15% în stratul de 10 până la 20 m deasupra solului;
Dimpotrivă, în apă, mobilitatea anumitor animale acvatice (pești, mormoloci în special, dar și organisme mici, cum ar fi dafnia, crustaceele) sunt o sursă de turbulență și microturbulență care joacă un rol în amestecarea straturilor. Putem vorbi de microturbulență sau nanoturbulență pentru mișcările induse de bacteriile flagel. Sistemul nervos al unor pești este foarte sensibil la turbulențe, ceea ce le permite în special să detecteze un atac apropiat de un prădător.

În astronomie

Turbulența atmosferică este principalul obstacol în calea observațiilor astronomice făcute de pe Pământ. Are efectul de a împrăștia lumina într-un mod fluctuant și aleatoriu. Dispozitivele optice adaptive fac posibilă compensarea parțială a acestor distorsiuni parazitare .

Turbulența atmosferică se schimbă la fiecare milisecundă.

Alte domenii

De asemenea, este studiat în aeronautică ( motoare cu reacție , camere de ardere , treziri ale lamelor și compresoarelor etc.), în industria chimică (eficiență considerabilă a procesului de amestecare turbulent), precum și în acustică , geofizică etc.

Note și referințe

Note

Rata decolărilor pe aeroporturile principale este determinată de durata atenuării trezirilor.

Referințe

Joséphin Peladan , „ Manuscrisele lui Leonardo da Vinci ” , pe Gallica
(în) „ Profiler optic cu cădere liberă ” pe SEA-BIRD Scientific
Robert Vautard (CEA / CNRS / UVSQ), Julien Cattiaux Pascal yiou, Jean-Noel Thépaut Philippe cIAIs, stilling atmosferice Northern Emisfera Parțial ATRIBUITA an Creșterea Rugozitatea suprafeței ,; Nature Geoscience , online: 17 octombrie 210 ( rezumat în engleză, grafică )
Gruber, C. și Haimberger, L. Despre omogenitatea seriilor temporale de vânt radiosond. Meteorologische Zeitschrift, 17, 631-643 (2008).

Vezi și tu

Articole similare

Link extern

" Wavelets & Turbulence: Utilizarea reprezentării wavelet pentru studiul turbulenței " , LMD-CNRS