Expérience sur les turbulencesExpérience sur les turbulences

Je viens de faire une petite expé­rience, néces­si­tant une grande abné­ga­tion car il a fallu que je me mette dans ma pis­cine (31°).

Il s’agissait d’essayer de visua­li­ser les tur­bu­lences créées par un tube placé dans le flux d’un fluide. Pas évident de voir ce qui se passe dans l’air d’une hélice, en tout cas, je n’ai pas ce qu’il faut pour ça. J’ai donc uti­lisé l’eau de ma piscine.

Pro­to­cole de l’expérience

• mise en rota­tion de l’eau par un dépla­ce­ment de mon corps de rêve dans ma pis­cine circulaire
• posi­tion­ne­ment ver­ti­cal du tube cir­cu­laire dans le flux généré: pho­to­gra­phie des turbulences
• posi­tion­ne­ment ver­ti­cal d’un tube de même dia­mètre pro­filé par un coin de PVC: pho­to­gra­phie des turbulences
• com­pa­rai­son des images après trai­te­ment de celles-ci pour faire res­sor­tir les tur­bu­lences (assom­bris­se­ment, aug­men­ta­tion de contraste et accentuation)

Obser­va­tions

Au final, il n’est pas très facile de visua­li­ser les choses, mais il semble res­sor­tir les faits suivants:

Vor­tex généré par un tube rond. L’image est assom­brie et contras­tée pour faire appa­raitre les turbulences

1– pour le tube circulaire

• le tube cir­cu­laire génère des tur­bu­lences plus mar­quées et de plus grande surface;
• la dif­fé­rence de niveau de l’eau devant et der­rière le tube est plus élevée et semble mon­trer une forte dépres­sion à l’arrière du tube et/ou une sur­pres­sion devant le tube;
• le tube à ten­dance à s’agiter dans le cou­rant de manière sac­ca­dée et rapide, comme si on le secouait, ce qui pour­rait pro­vo­quer des vibra­tions et crée sûre­ment des per­tur­ba­tions sur les accé­lé­ro­mètres du MK.

Vor­tex généré par un tube pro­filé. L’image est assom­brie et contras­tée pour faire appa­raitre les turbulences.

2– pour le tube profilé

• les tur­bu­lences sont plus dis­crètes et plus “har­mo­nieuses”, expres­sion peu scien­ti­fique, mais assez claire, je pense. On constate des mou­ve­ments mais qui paraissent moins s’éloigner de la direc­tion géné­rale du cou­rant, et ces moindres déri­va­tions révèlent sans doute une moindre trai­née, donc une moindre absorp­tion du souffle de l’hélice;
• la dif­fé­rence de niveau de l’eau entre l’avant et l’arrière du tube est plus faible. Il faut plus de vitesse qu’avec un tube rond de m^me sur­face fron­tale pour abou­tir à la même dépres­sion à l’arrière;
• l’orientation du pro­fil est cru­ciale: la moindre rota­tion entraine des mou­ve­ments amples qui dévient le tube avec force. C’est logique, le tube pro­filé  a la forme d’un safran de gou­ver­nail et se com­porte de la même manière.

Ana­lyse globale

• un tube cir­cu­laire n’est pas opti­mum en terme d’écoulement mais il est homo­gène dans les tur­bu­lences qu’il crée quelque soit la direc­tion du courant
• un tube pro­filé exige d’être placé de la manière la plus aéro­dy­na­mique pour être plus per­for­mant qu’un tube rond. En dehors de cette posi­tion opti­male, il induit des efforts de pous­sée laté­rale très importants
• une hélice génère un flux d’air qui n’est pas axial. Le souffle a glo­ba­le­ment la forme que prend un liquide que l’on fait tour­ner dans une bou­teille que l’on tient à l’envers, à savoir qu’il s’enroule sur lui-même et se res­serre (le dia­mètre du souffle est plus petit que le dia­mètre de l’hélice dès qu’il s’éloigne de quelques cen­ti­mètres de l’hélice, ce n’est pas moi qui le dit, c’est M. Ber­nouilly). c’est d’ailleurs pour cela que le vent der­rière l’hélice est plus fort que devant l’hélice, car il y a une sorte de cône de Ven­turi qui se crée.

Conclu­sions

• le souffle de l’hélice s’exerce sur une sur­face réduite, plus réduite que le dia­mètre de l’hélice et frappe donc une lon­gueur du bras infé­rieure à celle du rayon de l’hélice;
• la force avec laquelle le vent de l’hélice appuie sur le bras est plus forte der­rière l’hélice que devant, du fait de cette réduc­tion de dia­mètre de poussée;
• il res­sort de cela que l’accroissement de la vitesse néces­site de se pen­cher sur l’aérodynamisme des bras, car la résis­tance s’applique au pro­rata du carré de la vitesse;
• la pous­sée s’exerce sur le levier que repré­sente le bras. Ce levier va exer­cer une force contraire à la pous­sée de l’hélice sur l’air, ce qui revient à dire que plus le bras absor­bera du vent de l’hélice, plus il annu­lera son effet. Cet effet n’est pas seule­ment lié au dia­mètre d tube, mais aussi à sa forme (aéro­dy­na­misme variable sui­vant celle-ci);
• les tur­bu­lences créées par une forme inadap­tée vont réper­cu­ter des mou­ve­ments para­sites plus ou moins sac­ca­dés et pro­ba­ble­ment mettre en vibra­tion des tubes trop fins. Il n’est donc pas sûr que même avec des hélices bien équi­li­brées ont évite des vibra­tions pure­ment aérodynamiques;
• le souffle de l’hélice s’enroule en héli­coïde, ce qui signi­fie qu’il n’appuie par de manière axiale sur le bras. Ceci rend dif­fi­cile le posi­tion­ne­ment du pro­fil qui risque de se trou­ver mal orienté s’il est sim­ple­ment orienté de manière paral­lèle à l’axe de l’hélice. Il devrait se trouvé orienté de manière axiale au flux du vent de l’hélice, ce qui est assez déli­cat à déter­mi­ner. le plus simple reste de le lais­ser libre de tour­ner pour se mettre dans le flux, en espé­rant qu’il ne se mette pas en vibration.

Appli­ca­tion pratique

Il parait donc plus simple de pla­cer les bras devant l’hélice (au des­sus de celle-ci sur un MK), car le souffle étant moins rapide, les effet aéro­dy­na­miques sont moins cri­tiques (dimi­nu­tion avec la racine car­rée de la vitesse, c’est donc très “rentable”).

Il parait égale­ment inté­res­sant d’éloigner le bras de l’hélice, mais cela entraine plus d’efforts en tor­sion: une aug­men­ta­tion du dia­mètre du bras parait judi­cieuse, d’autant qu’elle pose moins de pro­blème devant l’hélice que der­rière, et qu’elle per­met de limi­ter les oscil­la­tions dues aux tur­bu­lences. A noter que le dou­ble­ment du dia­mètre d’un tube mul­ti­plie son poids par 2, mais sa résis­tance à la flexion par 4 environ.

Le gain réel d’un bras pro­filé est à rela­ti­vi­ser, car s’il génère moins de tur­bu­lences, c’est à condi­tion qu’il soit très bien orienté, ce qui est dif­fi­cile. Par ailleurs, un pro­filé est plus dif­fi­cile à fixer, car il demande une fixa­tion ajus­tée à son pro­fil, par mou­lage, par exemple. Il com­plique dont la fabri­ca­tion. Il est cepen­dant envi­sa­geable s’il se limite à la seule zone à pro­fi­ler uti­le­ment, ou si on ima­gine qu’il s’agisse d’un pro­fil ajouté sur un tube rond et tour­nant asses libre­ment (pas trop pour qu’il ne se mette pas en dra­peau et batte au vent).