Les boules de turbulence sont isolées à l'aide d'anneaux vortex – Physics World

Des chercheurs aux États-Unis ont isolé une boule de turbulence à l'intérieur d'un réservoir d'eau et l'ont maintenue en tirant des anneaux de vortex depuis les coins du réservoir. Guillaume Irvin et des collègues de l'Université de Chicago affirment que leur nouvelle technique pourrait entraîner une transformation de la manière dont la turbulence est étudiée expérimentalement.

Des tourbillons dans un courant au tourbillon de gaz dans l'espace interstellaire, la turbulence sous-tend le comportement de nombreux systèmes différents dans la nature. Ses principales caractéristiques sont faciles à repérer et comprennent des fluctuations irrégulières et erratiques de vitesse et de pression. Pourtant, malgré leur omniprésence, les chercheurs ont du mal à décrire exactement le comportement des fluides turbulents.

"La turbulence apparaît partout autour de nous, mais elle continue d'échapper à ce que les physiciens considèrent comme une description satisfaisante." explique Irvine. « Par exemple, si vous demandez, puis-je prédire ce qui se passe ensuite lorsque je touche cette région de turbulence ? La réponse est non. Pas même vraiment avec un supercalculateur.

Perturbations maîtrisées

Bien que la turbulence puisse être créée et étudiée en laboratoire, il est très difficile d'empêcher un fluide turbulent d'interagir avec les parois de son récipient ou l'appareil d'agitation utilisé pour générer la turbulence. Jusqu'à présent, cet échec a empêché les physiciens de comprendre comment les fluides turbulents évoluent dans le temps s'ils ne sont pas perturbés, ou comment ils réagissent à des perturbations contrôlées.

Pour relever ce défi, l'équipe d'Irvine a cherché à créer une région de turbulence complètement isolée à l'aide d'anneaux vortex. Ce sont des tourbillons circulaires de fluide qui génèrent des turbulences lorsqu'ils entrent en collision les uns avec les autres.

Au début, Irvine et ses collègues ont fait cela en plaçant des jets annulaires générant des vortex à chaque extrémité d'un réservoir d'eau. L'eau était ensemencée de bulles pour visualiser les mouvements des anneaux. Bien que des turbulences aient été observées initialement, les écoulements se sont finalement recombinés pour créer de nouveaux ensembles d'anneaux, qui se sont détournés du point de collision d'origine.

Huit anneaux vortex

Dans leur dernière étude, l'équipe d'Irvine a plutôt placé un jet annulaire à chaque coin du réservoir - avec des résultats bien plus intéressants. Lorsque les huit anneaux vortex sont entrés en collision, ils ont créé une boule de turbulence à peu près sphérique au centre du réservoir. Non seulement la balle était complètement isolée des parois du réservoir; il pourrait être maintenu simplement en tirant périodiquement plus d'anneaux vortex dans le réservoir.

"Personne ne savait que c'était même possible", déclare un membre de l'équipe Takumi Matsuzawa. « La turbulence est très douée pour mélanger les choses ; si vous mélangez votre lait à votre café, vous ne pouvez obtenir qu'un ou deux tourbillons avant qu'il ne soit complètement mélangé. Le fait que nous puissions le contenir en place est très surprenant.

C'est comme s'asseoir tranquillement dans un champ avec un pique-nique et regarder une tempête qui fait rage à 50 pieds

Guillaume Irvin

Avec cette configuration, l'équipe pourrait combiner des anneaux de vortex comme des blocs LEGO – contrôlant des paramètres tels que l'énergie et l'hélicité des anneaux – ce dernier décrivant si les tourbillons tournaient dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.

L'écoulement turbulent est-il universel après tout ?

À leur tour, ils pouvaient affiner les paramètres de la turbulence à l'intérieur de la balle, puis observer comment elle évoluait au fur et à mesure qu'ils la maintenaient avec plus d'anneaux vortex - ou comment elle se dissipait lorsqu'ils arrêtaient d'ajouter de nouveaux anneaux. « C'est comme s'asseoir tranquillement dans un champ avec un pique-nique et regarder une tempête qui fait rage à 50 pieds », décrit Irvine.

Les chercheurs espèrent maintenant que leurs travaux pourront mener à une percée dans le développement de nouvelles techniques d'étude de la turbulence. En sculptant des écoulements turbulents à l'aide d'anneaux vortex, ils suggèrent que la turbulence pourrait être traitée comme un état de la matière avec des caractéristiques pouvant être soigneusement contrôlées et manipulées.

À son tour, cela pourrait ouvrir la voie à un large éventail de nouvelles expériences, explorant de nombreux exemples différents d'écoulements turbulents dans la nature. "J'espère vraiment que cela pourra aider à ouvrir un nouveau terrain de jeu sur le terrain", déclare Irvine.

La recherche est décrite dans Physique de la nature.

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• La source: https://physicsworld.com/a/balls-of-turbulence-are-isolated-using-vortex-rings/