TURBULENCE

Hydrodynamique et aérodynamique subsonique

Depuis l'écoulement naturel des eaux jusqu'aux ultimes développements de la mécanique des fluides industrielle, la turbulence est omniprésente, Re étant généralement très grand : elle résulte soit du mouvement relatif d'un corps (généralement solide) et du fluide, soit d'un écart de vitesse dans la masse de ce dernier. La répartition des vitesses à proximité des parois est très différente de ce qu'elle serait en situation laminaire, avec des effets pratiques extrêmement importants : pour une vitesse relative donnée, les traînées de frottement et les pertes de charge dans les conduites sont accrues considérablement, et ce d'autant plus que la paroi est plus rugueuse ; par ailleurs, les vitesses étant plus élevées à proximité de la paroi, les décollements de couche limite sont retardés, et donc les traînées de forme diminuées et les portances maximales accrues. Dans la masse du fluide et la partie externe des écoulements de paroi, les gros tourbillons turbulents peuvent se développer assez librement et les zones de turbulence libre absorbent progressivement le milieu extérieur avec une vitesse d'entraînement de l'ordre de 10 à 20 p. 100 de l'écart de vitesse moyenne. Beaucoup plus grande que ν, ν_t uniformise l'écoulement moyen et dissipe son énergie avec une grande efficacité, souvent mise à profit dans les applications.

Dans l'exemple de l'aéronautique subsonique, on cherche à limiter l'augmentation de traînée due à la turbulence par des méthodes passives ou actives de maintien de la laminarité (aspiration) ou de manipulation (riblets) de la couche limite turbulente. On s'efforce de réduire le bruit et les vibrations engendrés par les efforts fluctuants, et encore d'éviter des problèmes de mécanique du vol par détection de la turbulence de ciel clair et des cisaillements à basse altitude. Inversement, on utilise la turbulence pour retarder les décollements aux fortes incidences afin d'augmenter la portance maximale et de maintenir l'efficacité des gouvernes. La turbulence est enfin mise à profit dans les propulseurs, pour augmenter les taux de compression et favoriser combustion et refroidissement.

Écoulements avec transfert de chaleur ou de matière

L'intensification des transferts de la chaleur ou de la matière au sein des fluides ou vers les parois constitue l'une des utilisations délibérées les plus anciennes et les plus courantes de la turbulence. Les variations de la température T ou de la concentration (plus exactement le titre massique d'un constituant dans le mélange) C affectent nécessairement la masse spécifique ρ du fluide. Si sa dynamique n'est pas affectée, on dit qu'il s'agit d'un contaminant passif : c'est le cas dont nous allons discuter avant d'évoquer celui des contaminants actifs. Ici encore, la répartition des températures ou concentrations à proximité des parois est très différente de ce qu'elle serait en situation laminaire et l'échange entre fluide et paroi peut être considérablement accru, au prix d'un frottement augmenté. Le coût énergétique de la circulation des fluides est ainsi une donnée essentielle dans la conception des échangeurs compacts où l'on recherche un rendement volumique accru par augmentation des vitesses ou manipulation des géométries de surface. La diffusion turbulente contrôle aussi les répartitions de température ou de concentration dans la partie externe des écoulements, en contribuant, pour des différences globales données, à augmenter ces écarts près de la paroi et donc les flux. Ce rôle est crucial dans les nombreuses situations où l'échange s'opère à travers une couche limite de température ou de concentration de plus en plus développée, et donc avec un écart[...]