Turbulence

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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 ao√Ľt 1842

La turbulence d√©signe l'√©tat d'un fluide, liquide ou gaz, dans lequel la vitesse pr√©sente en tout point un caract√®re tourbillonnaire : tourbillons dont la taille, la localisation et l'orientation varient constamment. Les √©coulements turbulents se caract√©risent donc par une apparence tr√®s d√©sordonn√©e, un comportement difficilement pr√©visible et l'existence de nombreuses √©chelles spatiales et temporelles. De tels √©coulements apparaissent lorsque la source d'√©nergie cin√©tique qui met le fluide en mouvement est relativement intense devant les forces de viscosit√© que le fluide oppose pour se d√©placer. √Ä l'inverse, on appelle laminaire le caract√®re d'un √©coulement r√©gulier. La d√©couverte et l'√©tude des turbulences est tr√®s ancienne, elle a √©t√© par exemple faite par L√©onard de Vinci[2].

Sommaire

Théorie

Le comportement complexe des √©coulements turbulents est la plupart du temps abord√© par la voie statistique. On peut ainsi consid√©rer que l'√©tude de la turbulence fait partie de la physique statistique. Pour traduire le fait que, dans un √©coulement, les forces d'inertie l'emportent sur les forces de viscosit√©, un nombre de Reynolds convenablement choisi doit √™tre sup√©rieur √† un certain seuil. Pour l'√©tude des turbulences en milieu naturel, il est pr√©f√©rable d'utiliser le nombre de Richardson plut√īt que celui de Reynolds, car ce dernier consid√®re la densit√© du fluide comme constante, ce qui n'est pas vrai dans le cas des fluides compressibles.

Une propri√©t√© classiquement mise en avant d'un √©coulement turbulent r√©side dans un processus appel√© cascade d'√©nergie : la division des grands tourbillons en tourbillons plus petits permet un transfert d'√©nergie des grandes √©chelles vers les petites √©chelles. Ce processus est limit√© par l'effet de la dissipation mol√©culaire, qui emp√™che les variations de vitesse trop importantes. En pratique, ce transfert d'√©nergie n'est pas √† sens unique, le ph√©nom√®ne d'appariement tourbillonnaire (en anglais backscatter) permettant le transfert ponctuel de petites structures tourbillonnaires (qui fusionnent) vers une ou plusieurs structures plus grandes.

Article d√©taill√© : Dimension de Kolmogorov.
Article d√©taill√© : Mod√©lisation des turbulences.

La physique des turbulences est en plein essor gr√Ęce √† la g√©n√©ralisation des instruments de mesure (comme les free falling profilers ou les sondes √† effet Doppler-Fizeau pour l'√©tude des turbulences en milieu aquatique), et √† la r√©duction progressive de leur co√Ľt. Depuis les ann√©es 1970, la m√©canique des fluides num√©rique permet aux chercheurs d'√©tudier la turbulence, principalement en utilisant une approche de simulation num√©rique directe.

Effets

Dans le domaine des transports

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

La turbulence augmente la tra√ģn√©e des objets en mouvements pour des nombres de Reynolds √©lev√©s. Cependant, provoquer la turbulence peut retarder le d√©collement de la couche limite et de ce fait diminuer le coefficient de tra√ģn√©e. Par exemple certaines combinaisons de nageurs sont munies d'√©cailles, pour g√©n√©rer une turbulence sur la surface ; les concavit√©s pr√©sentes √† la surface des balles de golf jouent le m√™me r√īle, ainsi que les turbulateurs √† la surface des avions autrement appel√©s g√©n√©rateurs 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 r√īle √©cologique important.

  • Dans l'eau les turbulences contribuent au m√©lange des couches thermiques, salines, acides ou plus ou moins oxyg√©n√©es ou anoxiques, mais aussi √† une √©rosion non-homog√®ne et par suite √† la turbidit√©, la remise en suspension ou dans les zones de moindre turbulence aux d√©p√īts diff√©renti√©s de particules (selon masse et granulom√©trie). Beaucoup d‚Äôorganismes aquatiques savent utiliser des turbulences et notamment les contre courants qu'elles g√©n√®rent localement pour se d√©placer en consommant moins d'√©nergie.
  • Face au vent, la rugosit√© du paysage et en particulier la rugosit√© "molle" (celle des for√™ts, bocages, savanes, par rapport aux roches et immeubles qui ne bougent pas) des arbres a un impact important sur les vents (att√©nuation de la force du vent dans les basses couches de l'atmosph√®re, et les turbulences, et indirectement sur les envols ou d√©p√īts de poussi√®res la temp√©rature, l'√©vaporation, le m√©lange de la partie basse de la colonne d'air (de la hauteur des pots d'√©chappement √† la hauteur o√Ļ sont √©mis les panaches de chemin√©es d'usine ou de chaudi√®res urbaines par exemple), la r√©gularit√© du vent (important pour les installations d'√©oliennes ou de fermes √©oliennes)... Kalnay et Cai dans la revue Nature avaient en 2003 pos√© l'hypoth√®se que les arbres freinaient significativement le vent. En for√™t tropicale dense, hormis lors des temp√™tes, au sol on ne sent presque plus les effets du vent. La plupart des arbres n'y produisent leurs puissants contreforts que quand ils √©mergent au niveau de la canop√©e o√Ļ ils sont alors expos√©s √† un √©ventuel d√©racinement par le vent.
    On a r√©cemment r√©analys√© les donn√©es m√©t√©orologiques de mesure des vents de surface (vent a 10m de hauteur) qui confirment dans l‚Äôh√©misph√®re nord une tendance au ralentissement ; Il semble que les for√™ts puissent, dans une certaine mesure, freiner le vent et la d√©sertification l'exacerber. L√† o√Ļ la for√™t a regagn√© du terrain, la force du vent a diminu√© (de 5 √† 15%)[3], de mani√®re d'autant plus visible que le vent est fort. Les vents g√©ostrophiques (induits par les variations de pression atmosph√©rique) n'ont pas diminu√©, et les a√©roradiosondes ne montrent pas de tendance au ralentissement en altitude[4].
  • Le bocage est une structure √©copaysag√®re qui modifie √©galement les effets du vent en cr√©ant des microclimats att√©nuant le vent, mais aussi les chocs thermohygrom√©triques et l'√©rosion des sols ;
    Les turbulences g√©n√©r√©es par les arbres, haies et for√™ts ont une grande importance pour les microclimats bocager et forestiers, pour la circulation a√©riennes des pollens, d'invert√©br√©s et microorganismes a√©roport√©s, de propagules (ex : spores de mousses, lichens et autres √©piphytes), mais aussi de phytohormones et d'odeurs a√©roport√©es (parfum floral qui attire abeilles ou papillons pollinisateurs ou h√ītes par exemple, ou hormones de stress qui attirent d'autres esp√®ces.).
    Le mouvement des feuilles laisse la lumi√®re p√©n√©trer plus profond√©ment dans le houppier et au sol. Les buisson, bosquet, haie, ou massif forestiers auront des effets diff√©rents, assez importants parfois pour freiner le vent de 5 √† 15 % dans la couche des 10 √† 20 m au dessus du sol.
  • Inversement, dans l'eau, la mobilit√© de certains animaux aquatiques (poissons, t√™tards en particulier, mais aussi petits organismes tels que daphnies, crustac√©s) sont source de turbulences et microturbulences qui jouent un r√īle dans le m√©lange de couches. On peut parler de microturbulence ou de nanoturbulence pour les mouvements induits par Les bact√©ries √† 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 d√©taill√© : turbulence de sillage.

Voir aussi

  1. ‚ÜĎ CNRS, (L√©onard) de Vinci & la turbulence, consult√© 2011-11-08
  2. ‚ÜĎ http://www.cnrs.fr/sciencespourtous/abecedaire/pages/vinci.htm
  3. ‚ÜĎ Robert Vautard (CEA/CNRS/UVSQ), Julien Cattiaux, Pascal Yiou, Jean-No√ęl Th√©paut, Philippe Ciais, Northern Hemisphere atmospheric stilling partly attributed to an increase in surface roughness, ; Nature Geoscience, en ligne : 17 oct 210 (R√©sum√© en anglais, graphiques)
  4. ‚ÜĎ Gruber, C. and Haimberger, L. On the homogeneity of radiosonde wind time series. Meteorologische Zeitschrift,17, 631-643 (2008).

Articles connexes

Lien externe


Wikimedia Foundation. 2010.

Contenu soumis à la licence CC-BY-SA. Source : Article Turbulence de Wikipédia en français (auteurs)

Regardez d'autres dictionnaires:

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  • Turbulence ‚ÄĒ (engl.: Unruhe, Turbulenz) bezeichnet: Clear Air Turbulence, Luftturbulenzen in gro√üen H√∂hen Turbulence (Film), ein US amerikanischer Actionfilm Turbulence 2, eine Fortsetzung von Turbulence Turbulence 3, ein dritter Teil von Turbulence… ‚Ķ   Deutsch Wikipedia

  • Turbulence ‚ÄĒ Tur bu*lence, n. [L. turbulentia: cf. F. turbulebce.] The quality or state of being turbulent; a disturbed state; tumult; disorder; agitation. Shak. [1913 Webster] The years of . . . warfare and turbulence which ensued. Southey. [1913 Webster]… ‚Ķ   The Collaborative International Dictionary of English

  • Turbulence ‚ÄĒ (–ö–ĺ–ļ—Ā–Ķ–Ļ–ī–Ķ –Ď–į–ī,–Ď–Ķ–Ľ—Ć–≥–ł—Ź) –ö–į—ā–Ķ–≥–ĺ—Ä–ł—Ź –ĺ—ā–Ķ–Ľ—Ź: 3 –∑–≤–Ķ–∑–ī–ĺ—á–Ĺ—č–Ļ –ĺ—ā–Ķ–Ľ—Ć –ź–ī—Ä–Ķ—Ā: 8670 –ö–ĺ–ļ—Ā–Ķ–Ļ–ī–Ķ –Ď–į–ī, –Ď–Ķ–Ľ—Ć ‚Ķ   –ö–į—ā–į–Ľ–ĺ–≥ –ĺ—ā–Ķ–Ľ–Ķ–Ļ

  • turbulence ‚ÄĒ index bluster (commotion), commotion, confusion (turmoil), disorder (lack of order), disturbance ‚Ķ   Law dictionary

  • turbulence ‚ÄĒ (n.) 1590s; see TURBULENT (Cf. turbulent) + ENCE (Cf. ence) ‚Ķ   Etymology dictionary

  • turbulence ‚ÄĒ *commotion, agitation, tumult, turmoil, confusion, convulsion, upheaval Analogous words: *din, uproar, babel, pandemonium: agitation, perturbation, disturbance (see corresponding verbs at DISCOMPOSE) ‚Ķ   New Dictionary of Synonyms

  • turbulence ‚ÄĒ ‚Ėļ NOUN 1) violent or unsteady movement of air or water, or of some other fluid. 2) conflict or confusion ‚Ķ   English terms dictionary

  • turbulence ‚ÄĒ [t Čr‚Ä≤by…ô l…ôns] n. [LL turbulentia] the condition or quality of being turbulent; specif., a) commotion or wild disorder b) violent, irregular motion or swirling agitation of water, air, gas, etc.: Also turbulency ‚Ķ   English World dictionary

  • Turbulence ‚ÄĒ In fluid dynamics, turbulence or turbulent flow is a fluid regime characterized by chaotic, stochastic property changes. This includes low momentum diffusion, high momentum convection, and rapid variation of pressure and velocity in space and… ‚Ķ   Wikipedia


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