De nouvelles simulations informatiques peuvent aller là où les expériences atteignent leurs limites. Des scientifiques du Centre de technologie spatiale appliquée et de microgravité (ZARM) de l’Université de Brême ont développé un code informatique qui permet des prédictions précises de la désintégration des gouttelettes dans des écoulements turbulents.
Étonnamment, cela montre qu’il n’y a aucun moment où une goutte de liquide ne peut pas se décomposer en gouttes encore plus petites. Les résultats sont publiés dans la revue Avancées scientifiques et le code informatique open source est maintenant disponible pour d’autres scientifiques.
La désintégration des gouttes et des bulles par des tourbillons chaotiques dans la turbulence est courante dans la vie de tous les jours : lors de la prise de douche ou de l’utilisation d’un vaporisateur pour disperser un liquide dans l’air ou dans les océans lorsque des bulles de gaz se produisent lorsque les vagues d’eau se brisent. La cassure des gouttes joue également un rôle clé dans la fabrication de cosmétiques, de médicaments et d’aliments, en particulier lorsqu’il s’agit de mélanger des liquides qui ne veulent pas naturellement se mélanger, comme l’huile et le jaune d’œuf dans la mayonnaise. Mais, combien de temps faut-il remuer pour préparer une mayonnaise savoureuse ?
Pour répondre à cette question, une compréhension plus approfondie du phénomène de rupture lui-même est nécessaire : à quel moment une goutte ou une bulle se brise-t-elle réellement en plus petits morceaux ? La rupture finit-elle par atteindre un état final dans lequel les gouttes sont si petites qu’elles ne se séparent plus ?
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À ce jour, ces questions ont été étudiées principalement dans le cadre d’expériences, mais le suivi des gouttes dans un environnement turbulent est extrêmement difficile. De plus, une grande quantité de données de mesure est nécessaire pour faire des déclarations statistiquement fiables sur le processus de fragmentation. Pour compliquer davantage les choses, de nombreux paramètres doivent être pris en compte pour les expériences, comme le type de liquide sélectionné et ses propriétés (c’est-à-dire la densité et la tension superficielle) ou la taille des gouttelettes et le degré de turbulence de l’écoulement.
En conséquence, les données disponibles sur la rupture des gouttes et des bulles dans les écoulements turbulents sont rares, ce qui limite une compréhension plus approfondie du phénomène et entrave les prévisions.
Les gouttes se comportent différemment de ce que l’on croyait auparavant
Un nouveau code informatique, développé par le Dr Alberto Vela-Martín du ZARM de l’Université de Brême, est désormais capable de simuler des milliers de scénarios expérimentaux pour la rupture des gouttes. Les principales conclusions des nouvelles simulations sont que le processus de fragmentation des gouttes n’atteint pas un état final, mais, contrairement à ce que l’on pensait auparavant, ne fait que ralentir et se poursuivre sur de longues échelles de temps. Par conséquent, la taille de goutte minimale stable jusqu’ici postulée (en fonction des caractéristiques respectives du liquide et du degré de turbulence de l’écoulement), où une goutte ne se fendrait plus, ne semble pas exister.
De plus, les simulations ont montré que la probabilité que la turbulence rompe la goutte ou la bulle est la même à tout moment. Une goutte individuelle ne « sait » donc pas depuis combien de temps elle a été exposée au flux turbulent, elle est « sans mémoire », pour ainsi dire. Revenant à l’exemple de la mayonnaise, que signifient les nouveaux résultats ? Plus vous remuez longtemps la mayonnaise, plus elle devient crémeuse – vous avez juste besoin de beaucoup de patience.
Plus d’information:
Alberto Vela-Martín et al, Rupture de goutte sans mémoire dans la turbulence, Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126/sciadv.abp9561
Fourni par l’Université de Brême