Turbulență Da, dar intermitent
Figura 1: Punct turbulent: În figură, observăm un „punct turbulent”, un domeniu în care fluxul apare dezordonat, înconjurat de un flux laminar. Contururile acestei pete se deformează în timp, dar partea debitului pe care o ocupă, fracțiunea turbulentă, rămâne esențial constantă.
Grupul de instabilitate și turbulență din SPEC studiază în mod experimental tranziția de la regimul laminar la regimul turbulent al unui flux de model.
Fie că se află în fluxuri atmosferice, în circuite de răcire sau în jurul unui avion, fluxurile de apă, aer sau orice alt fluid sunt uneori laminar (calm și regulat), uneori turbulent (dezordonat). Tot fluxul este caracterizat de un număr adimensional, numărul Reynolds, R, care leagă viteza și geometria fluxului de vâscozitatea fluidului în mișcare. Este laminar cu un număr redus de Reynolds și devine turbulent atunci când acesta din urmă este crescut, de exemplu prin creșterea vitezei fluidului. Vorbim apoi de tranziție la turbulențe.
Pentru multe fluxuri, cum ar fi cea a apei într-o conductă, tranziția are loc brusc și duce la o dinamică spațio-temporală complexă. Vorbim despre o tranziție subcritică pentru care până în prezent nu există un cadru formal de descriere. Astfel, dacă conductele noastre de apă de acasă ar fi transparente, am fi cu toții capabili să observăm prezența unor pete turbulente (Fig. 1), a căror prezență este una dintre cele mai remarcabile manifestări ale acestor tranziții la turbulență.
Flux de plapumă plat
Debitul se obține în spațiul de aer al unei centuri transparente fără sfârșit (1), ghidat de pucuri (2), acționat cu o viteză uniformă și scufundat într-un rezervor umplut cu apă. Obținem un flux plan, uniform tăiat, între doi pereți care se mișcă la viteze + U și –U. Lungimea utilă a debitului este de 1 metru, iar grosimea stratului de fluid tăiat este de 2h = 7mm. Parametrul de control, care conduce tranziția, este numărul Reynolds R = Uh/n, unde n este vâscozitatea. Fluxul este însămânțat cu sclipici de argint fin iluminat de un laser. Funcția lor este de a traduce mișcările fluxului, care diferă de forfecarea inițială. Un sistem de preluare și prelucrare a imaginilor permite caracterizarea cantitativă a tranziției.
O echipă SPEC a fost dedicată studiului experimental al tranziției la turbulență în fluxul Couette plan (a se vedea inserția), un prototip de tranziții subcritice în hidrodinamică. Netulburat, fluxul rămâne laminar. Dacă este deranjat de o injecție de apă perpendiculară pe centură, în funcție de caz, se poate observa relaxarea instantanee a perturbării sau formarea unui punct turbulent stabil sau metastabil (Fig. 1). Evoluția sa este urmată de măsurarea fracțiunii turbulente în timp (Fig. 2). Când numărul Reynolds rămâne sub un prim prag, R Rc, pe lângă cele două comportamente anterioare, punctul turbulent poate fi stabil și poate fi menținut pe termen nelimitat.