Les scientifiques révèlent que la turbulence élastique a plus en commun que prévu avec la turbulence newtonienne classique

Le sang, le liquide lymphatique et autres liquides biologiques peuvent avoir des propriétés surprenantes et parfois troublantes. Beaucoup de ces solutions biologiques sont des fluides non newtoniens, un type de liquide caractérisé par une relation non linéaire entre contrainte et déformation. Par conséquent, les fluides non newtoniens ne se comportent pas nécessairement comme on pourrait s’y attendre d’un liquide. Par exemple, certains de ces fluides particuliers se déforment lorsqu’on les touche légèrement, mais agissent presque comme un solide lorsqu’une force importante est appliquée.

Et les solutions biologiques ne font pas exception lorsqu’il s’agit de propriétés uniques, l’une d’entre elles étant la turbulence élastique. Terme qui décrit le mouvement chaotique des fluides résultant de l’ajout de polymères en petites concentrations à des liquides aqueux. Ce type de turbulence n'existe que dans les fluides non newtoniens.

Sa contrepartie est la turbulence classique, se produisant dans les fluides newtoniens, par exemple dans une rivière lorsque l'eau s'écoule à grande vitesse devant le pilier d'un pont. Bien que des théories mathématiques existent pour décrire et prédire la turbulence classique, la turbulence élastique attend encore de tels outils malgré son importance pour les échantillons biologiques et les applications industrielles.

“Ce phénomène est important en microfluidique, par exemple lors du mélange de petits volumes de solutions polymères, ce qui peut être difficile. Ils ne se mélangent pas bien en raison de l'écoulement très fluide”, explique le professeur Marco Edoardo Rosti, responsable du département Fluides et flux complexes. Unité.

Jusqu'à présent, les scientifiques considéraient la turbulence élastique comme complètement différente de la turbulence classique, mais la publication du Laboratoire dans la revue Communications naturelles pourrait changer ce point de vue. Des chercheurs de l'OIST ont travaillé en collaboration avec des scientifiques du TIFR en Inde et de NORDITA en Suède pour révéler que la turbulence élastique a plus en commun que prévu avec la turbulence newtonienne classique.

“Nos résultats montrent que la turbulence élastique présente une décroissance universelle de l'énergie selon la loi de puissance et un comportement intermittent jusqu'ici inconnu. Ces résultats nous permettent d'examiner le problème de la turbulence élastique sous un nouvel angle”, explique le professeur Rosti. Pour décrire un flux, les scientifiques utilisent souvent un champ de vitesse. “Nous pouvons examiner la distribution des fluctuations de vitesse pour faire des prédictions statistiques sur le débit”, explique le Dr Rahul K. Singh, premier auteur de la publication.

Lorsqu’ils étudient la turbulence newtonienne classique, les chercheurs mesurent la vitesse sur l’ensemble de l’écoulement et utilisent la différence entre deux points pour créer un champ de différence de vitesse.

“Ici, nous mesurons la vitesse en trois points et calculons les secondes différences. Tout d'abord, une différence est calculée en soustrayant les vitesses des fluides mesurées en deux points différents. Nous soustrayons ensuite à nouveau deux de ces premières différences, ce qui nous donne la deuxième différence”, explique le Dr. .

Ce type de recherche s’est accompagné d’un défi supplémentaire : l’exécution de ces simulations complexes nécessite la puissance de superordinateurs avancés. “Nos simulations durent parfois quatre mois et génèrent une énorme quantité de données”, explique le professeur Rosti.

Ce niveau de détail supplémentaire a conduit à une découverte surprenante : le champ de vitesse dans la turbulence élastique est intermittent. Pour illustrer à quoi ressemble l’intermittence du flux, le Dr Singh utilise l’électrocardiogramme (ECG) comme exemple.

“Dans une mesure ECG, le signal présente de petites fluctuations interrompues par des pics très nets. Cette grande explosion soudaine est appelée intermittence”, explique le Dr Singh.

Dans les fluides classiques, de telles fluctuations entre petites et très grandes valeurs avaient déjà été décrites, mais uniquement pour les turbulences se produisant à des vitesses d'écoulement élevées. Les chercheurs ont été surpris de constater désormais le même schéma de turbulence élastique se produisant à de très faibles vitesses d’écoulement. “À ces faibles vitesses, nous ne nous attendions pas à trouver des fluctuations aussi fortes du signal de vitesse”, explique le Dr Singh.

Leurs découvertes constituent non seulement un grand pas vers une meilleure compréhension de la physique derrière la turbulence à faible vitesse, mais jettent également les bases du développement d’une théorie mathématique complète décrivant la turbulence élastique. “Avec une théorie parfaite, nous pourrions faire des prédictions sur le débit et concevoir des dispositifs susceptibles de modifier le mélange de liquides. Cela pourrait être utile lorsque l'on travaille avec des solutions biologiques”, explique le professeur Rosti.