Les physiciens ont découvert un nouvel aspect de la convection turbulente, démontrant qu’elle peut faire tourner un solide se déplaçant librement dans le fluide dans deux directions, changeant parfois en raison de la turbulence. Cette recherche, qui a des implications pour la compréhension des flux de fluides du noyau de la Terre vers l’eau bouillante, met également en évidence le rôle clé que la convection thermique pourrait jouer dans la Terre et le potentiel de contrôle de la turbulence par l’interaction avec les solides.
Des écoulements turbulents prennent une tournure surprenante dans une expérience inspirée du noyau terrestre.
Une équipe de physiciens a découvert un nouveau rôle pour un type spécifique de turbulence, une découverte qui met en lumière les flux de fluides allant du noyau liquide de la Terre à l’eau bouillante.
La recherche, qui paraît dans la revue Actes de l’Académie nationale des sciencescentré sur la convection turbulente – le mouvement du fluide lorsqu’il est chauffé par le bas.
“Nos expériences révèlent des mouvements complexes entre un corps en mouvement libre et des flux de convection thermique”, explique Jun Zhang, professeur de mathématiques et de physique à
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L’étude, qui comprenait également Kaizhe Wang, chercheur au département de physique de NYU, s’est concentrée spécifiquement sur la convection Rayleigh-Bénard, un type de convection entraîné par les différences de température.
Une étude expérimentale récente, inspirée de la super-rotation du noyau solide de la Terre, montre que lorsque des flux turbulents contenus dans un cylindre interagissent avec un corps libre, une rotation étonnamment douce est observée. Les rubans rouge (chaud) et bleu (froid) représentent les débits d’eau. Crédit : Kaizhe Wang et Jun Zhang
Dans leurs expériences, menées au Joint Research Institute de NYU Shanghai, les auteurs de l’article ont utilisé un récipient cylindrique rempli d’eau, puis l’ont chauffé par le bas, créant des flux convectifs. Les écoulements turbulents résultants ont interagi avec un solide en suspension (un panneau rectangulaire) qui se déplaçait librement à l’intérieur du conteneur, un cadre qui a permis aux chercheurs de mieux étudier comment les écoulements turbulents interagissent avec les structures solides à l’intérieur.
“Étonnamment, le système devient quelque peu sage”, note Zhang. “Nous avons observé une rotation douce des flux et du solide libre.”
Leurs résultats ont montré que les écoulements turbulents alimentés par convection, ainsi que le solide, peuvent se déplacer dans deux directions – l’une dans le sens des aiguilles d’une montre et l’autre dans le sens inverse des aiguilles d’une montre – la vitesse de co-rotation augmentant avec l’intensité de la convection. Plus que cela, leur rotation peut parfois changer de direction, causée par la turbulence.
“La recherche, inspirée par la rotation du noyau interne de la Terre lorsqu’il interagit avec le noyau liquide convectif, capture l’interaction entre un flux turbulent et un corps en mouvement libre dans le flux”, explique Zhang. « Les résultats confirment que la turbulence peut être apprivoisée en interagissant avec les solides. Cela nous rappelle également que la puissance de la convection thermique pourrait jouer un rôle plus important à l’intérieur de notre planète Terre.
Référence : « Corotation persistante du flux à grande échelle de convection thermique et d’un corps libre immergé » par Kaizhe Wang et Jun Zhang, 15 mai 2023, Actes de l’Académie nationale des sciences.
DOI : 10.1073/pnas.2217705120
2023-05-17 02:36:12
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