Turbulence

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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 non 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 et prévisible.

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.

Le comportement complexe des écoulements turbulents ne peut être abordé que par une voie statistique. On peut considérer que l'étude de la turbulence fait partie de la physique statistique.

La turbulence est omniprésente. Dans le domaine de la météorologie, elle explique les variations des courants marins et des vents atmosphériques ; elle se retrouve en aéronautique (jets des réacteurs, chambre de combustion, sillages des aubes et compresseurs, etc.), dans l'industrie chimique (efficacité considérable du processus de mélange turbulent), en acoustique, en géophysique etc.

Une propriété fondamentale d'un écoulement turbulent réside dans un processur 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 importante.

Kolmogorov, en 1941 a émis l'hypothèse que cette cascade était auto-similaire : les tourbillons se divisent tous de la même manière quelle que soit leur échelle, tant qu'elle n'est ni trop petite (sinon la viscosité joue) ni trop grande (les grands tourbillons dépendent de la géométrie de l'écoulement). C'est ce qu'on appelle la zone inertielle, et par des arguments d'analyse dimensionnelle, il a exprimé une loi ( loi en -5/3 ) qui caractérise l'auto-similarité de la turbulence (un peu comme une courbe fractale, quand on zoome sur une turbulence, on ne peut pas savoir à quelle échelle on se trouve).

La turbulence augmente la traînée des objets en mouvements.