Les liquides jouent un rôle crucial dans les processus industriels comme le refroidissement, le chauffage et le mélange. Traditionnellement, la plupart des industries utiliseraient des liquides newtoniens – qui ont une viscosité constante – pour de tels processus. Cependant, beaucoup adoptent désormais des fluides viscoélastiques, qui peuvent se comporter à la fois comme des liquides et des matériaux élastiques.
Ces fluides peuvent supprimer les turbulences dans des flux simples comme les tuyaux ou les canaux droits, conduisant à une frottement de paroi réduit. Cet «effet de réduction de traînée» a suscité un intérêt important en raison de son potentiel d'amélioration de l'efficacité énergétique.
Pour faire progresser les applications industrielles de ces liquides, il est essentiel de comprendre comment ces fluides interagissent avec la turbulence.
Dans cette toile de fond, le professeur agrégé Shumpei Hara de la Faculté des sciences et de l'ingénierie de l'Université de Doshisha, au Japon, avec le professeur Takahiro Tsukahara et le professeur émérite Yasuo Kawaguchi de l'Université de Tokyo, le Japon, a mené des expériences sur la dynamique du fluide viscoélastique par une étape de la mise en place en arrière (BFS) pour évaluer la dynamique du flux viscoélastique par la dynamique du flux.
Cette étude a été mise à disposition en ligne dans le Journal international de transfert de chaleur et de masse.
« Alors que le mouvement des fluides a une échelle de temps caractéristique pour la récupération et la relaxation, les fluides viscoélastiques ont un temps de relaxation et une variété de phénomènes peuvent se produire en fonction de la relation entre ces deux échelles. Notre principal motif était de clarifier l'instabilité et de découvrir les caractéristiques fondamentales de l'écoulement BFS dans les liquides viscoélastiques par le biais d'expériences », explique le Dr Hara.
L'équipe a mené une expérience dans une boucle d'eau en circuit fermé avec un canal bidimensionnel avec une hauteur de 20 mm et un rapport d'expansion BFS de 1: 2.
De plus, ils ont utilisé la vélocimétrie de l'image des particules et un rhéomètre d'extension capillaire de rupture pour suivre l'écoulement d'un fluide viscoélastique amélioré sur les surfactants et pour mesurer le temps de relaxation des fluides viscoélastiques, respectivement. De plus, des thermocouples de type T ont été utilisés pour mesurer le transfert de chaleur.
Dans un flux BFS, la turbulence se traduit par une couche de cisaillement séparée, qui est très instable en raison des instabilités hydrodynamiques. Ces instabilités génèrent des tourbillons turbulents, produisant une énergie cinétique turbulente alors que l'écoulement tente de récupérer son équilibre.
Cependant, lorsque des fluides viscoélastiques sont introduits, leur temps de relaxation unique interagit avec le processus de récupération naturelle de l'écoulement. Cette interaction a conduit à des comportements fluides inattendus, tels que le mouvement méannel d'inertie-viscoélastique.
En ajustant le nombre de Reynolds (par débit) et le nombre de Weissenberg (élasticité du fluide), les chercheurs ont identifié trois états d'écoulement distincts: des états de diffusivité faibles, moyens et élevés. Dans l'état de diffusivité faible, le fluide a présenté un débit à grande vitesse sans turbulence ni mélange, résultant en une contrainte de cisaillement à faible reynolds (qui représente la façon dont l'élan est transféré en raison de la turbulence). De plus, il avait un mauvais taux de transfert de chaleur.
Dans l'état de diffusivité moyenne, le liquide présentait des niveaux de turbulence similaires à ceux des fluides newtoniens, comme l'eau, avec une contrainte de cisaillement de Reynolds modérée et un transfert de chaleur. Notamment, les observations pour les états de diffusivité élevée étaient exceptionnelles. Dans cet état, le principal flux de liquide présentait un mouvement sinueux en onde, oscillant uniquement verticalement, perpendiculaire à la paroi, ce qui a considérablement augmenté l'efficacité de transfert de chaleur.
L'état à haute diffusivité induit par le mouvement sinueux améliorait considérablement le mélange de fluide, réduisant les différences de température et améliorant le transfert de momentum. Ces effets rendent cette approche très adaptée aux applications industrielles qui exigent un échange de chaleur et un transport de liquide efficaces.
Cette découverte remarquable a des applications potentielles dans les échangeurs de chaleur, les réacteurs chimiques et les agitateurs dans les industries chimiques, alimentaires et pharmaceutiques. À l'avenir, les chercheurs prévoient d'étudier différents fluides viscoélastiques pour comprendre leur comportement dans des contextes industriels réels et d'optimiser leurs propriétés pour accroître l'efficacité énergétique.
« Notre étude ouvre la voie au développement de nouvelles stratégies de contrôle des turbulences avec des effets d'économie d'énergie utilisant des fluides viscoélastiques, contribuant à des phénomènes de transfert de chaleur et de mélange dans les processus de fabrication, améliorant encore la qualité et assurant son assurance », conclut le Dr Hara.
