Les écoulements sur des planètes comme la Terre sont caractérisés par de nombreuses caractéristiques, telles que la rotation et la différence de température entre le noyau chaud et la surface froide. Ces écoulements ont de très grandes dimensions et il est très difficile de les étudier. Pour les étudier, Ph.D. L’étudiant Matteo Madonia a mis en place une expérience unique appelée TROCONVEX, un cylindre rotatif avec une différence de température entre le bas et le haut, et une hauteur maximale de 4 mètres. TROCONVEX permet aux chercheurs d’explorer de nouveaux comportements qui peuvent nous aider à comprendre les flux planétaires. Madonia a soutenu avec succès sa thèse le 13 avril 2022.
Les flux planétaires, tels que l’atmosphère terrestre ou son noyau externe, sont assez difficiles à étudier non seulement en raison de leur grande proportion, mais aussi en raison de leur complexité. En fait, ils sont influencés par de nombreux facteurs : la rotation de la planète, la différence de température entre les surfaces supérieure et inférieure, la géométrie sphérique et souvent de nombreux autres facteurs comme les champs magnétiques ou leur « planéité ».
Matteo Madonia, chercheur au groupe de recherche Fluides et Ecoulements du département de Physique Appliquée, a décidé d’étudier un modèle simplifié d’écoulement planétaire qui ne prend en considération que la forte rotation et la différence de température. Cependant, même cette énorme réduction conduit à un système qui ne peut pas être entièrement compris.
Chaos
Les écoulements influencés par une rotation rapide ont la particularité de s’organiser en structures bien alignées verticalement, tandis que les fluides pris en sandwich entre un fond chaud et un sommet froid développent des comportements très chaotiques. Si l’on mélange ces deux effets, on obtient une variété d’états d’écoulement différents qui se comportent différemment selon l’équilibre entre les deux forces.
De plus, pour étudier des écoulements à la taille de planètes, il faut atteindre des forces de rotation très élevées, ce qui est très difficile à faire en simulant numériquement l’écoulement et n’est possible qu’avec des conteneurs très hauts.
C’est pourquoi Madonia a conçu TROCONVEX, un cylindre rotatif très haut contenant de l’eau qui est chauffée par le bas et refroidie par le haut. Grâce à cette installation, jusqu’à 4 mètres de haut, il a pu analyser des configurations d’écoulement jusqu’alors inaccessibles.
Deux approches
Le mélange des effets de la rotation et de la différence de température crée en fait une variété d’états d’écoulement différents qui doivent être différenciés et décrits. Pour ce faire, le chercheur a utilisé deux approches différentes : la première impliquait l’utilisation de sondes de température et la seconde impliquait des mesures de vitesse.
Avec des sondes de température, il a pu analyser la différence de transfert de chaleur entre le haut et le bas pour chaque état, ainsi que la façon dont la température change à différentes hauteurs du cylindre.
Pour ce faire, il a utilisé une configuration spéciale qui lui a permis d’isoler thermiquement le cylindre pour éviter les fuites de chaleur par les côtés. Grâce à ces mesures, il a pu identifier un nouvel état jamais observé auparavant : une turbulence dite induite par la rotation (RIT).
Appareils photo
Les mesures de vitesse ont été effectuées dans une configuration transparente, spécialement conçue pour permettre à deux caméras de regarder à l’intérieur du cylindre et de suivre le mouvement de certaines particules que nous avons injectées dans le fluide. Les deux caméras pourraient suivre le mouvement du flux et donner des informations sur la vitesse dans les trois directions spéciales.
Grâce à ces mesures, Madonia a pu mieux caractériser les différents états d’écoulement, y compris le nouveau RIT, qui présente une caractéristique intéressante : une structure composée de quatre tourbillons qui remplit la section du cylindre.
Une analyse plus approfondie sur les mesures de vitesse n’a pas permis d’établir avec certitude si cette structure est générée par la présence des parois latérales ou par une auto-organisation de l’écoulement, typique des écoulements tournants.