Les ondes de choc ne doivent pas être choquantes : les ingénieurs de tous les domaines scientifiques doivent être capables de prédire avec précision comment les changements de pression instantanés et importants se déclenchent et se dissipent pour éviter les dommages. Aujourd’hui, grâce à une équipe de l’Université nationale de Yokohama, ces prédictions sont encore mieux comprises.
Dans un ouvrage publié le 19 août dans le Physique des Fluidesles chercheurs ont détaillé comment les modèles informatiques utilisés pour simuler le comportement des ondes de choc représentent les ondes de choc très faibles d'une manière nettement différente des prédictions théoriques et des mesures physiques.
Les ondes de choc comprennent la pression exercée par une explosion ou par un objet se déplaçant plus vite que le son, comme un jet supersonique. Les ondes de choc faibles font référence aux mêmes changements de pression, de densité et de vitesse, mais elles sont beaucoup plus petites que les ondes plus grosses et se rapprochent de la vitesse du son. Cependant, les approches actuelles de modélisation informatique ont du mal à représenter avec précision ces très faibles ondes de choc, selon le co-auteur Keiichi Kitamura, professeur à la Faculté d'ingénierie de l'Université nationale de Yokohama.
« Les ondes de choc provoquent une compression instantanée, entraînant une augmentation de l'entropie ; ainsi, des calculs précis des flux impliquant des ondes de choc sont cruciaux », a déclaré le co-auteur Keiichi Kitamura, professeur à la Faculté d'ingénierie de l'Université nationale de Yokohama.
L'entropie fait référence au désordre qui, en contradiction apparente avec les comportements physiques attendus, augmente à mesure que la vague se déplace. Ce désordre est au cœur des simulations d’ondes de choc, selon Kitamura. Les approches informatiques conventionnelles classent les ondes de choc très faibles comme diffuses, mais cette étiquette ne tient pas compte des variables plus nuancées de l'onde, en particulier lorsqu'elle se déplace.
« Les méthodes de volumes finis sont couramment utilisées pour traiter la discontinuité dans les simulations numériques, car elles peuvent conserver les variables même en cas de discontinuités de choc », a déclaré Kitamura, expliquant que les méthodes de volumes finis font référence au nombre spécifique de cellules utilisées dans une représentation informatique. « Cependant, le calcul des ondes de choc à l'aide de méthodes de volumes finis n'est pas toujours stable et, dans certaines conditions, présente des défis en raison de leur nature discontinue. »
Dans une analyse axée sur la compréhension des propriétés spécifiques des ondes de choc représentées numériquement, les chercheurs ont découvert que l’état final d’une onde de choc en mouvement peut être classé en trois régimes : dissipé, transitionnel et finement capturé. Il est apparu, a déclaré Kitamura, que des simulations numériques non interrogées ajustaient automatiquement les paramètres physiques supposés d'une onde de choc pour les faire correspondre à l'entropie calculée.
« Ce travail a identifié le mécanisme des chocs faibles diffusés : il était provoqué par le processus de génération d'entropie au sein des ondes de choc exprimées numériquement », a déclaré Kitamura. « Nos résultats combleront le fossé de compréhension entre les ondes de choc faibles théoriques et physiques, ce qui pourrait potentiellement contribuer à des conceptions plus sûres, plus économiques et plus précises des futures fusées et avions supersoniques. »
Gaku Fukushima, chercheur postdoctoral au Département de génie mécanique de l'Université de Sherbrooke au Canada, a été l'auteur correspondant de cet article. Au moment de la recherche, Fukushima était boursier postdoctoral de la Société japonaise pour la promotion de la science à l’Université nationale de Yokohama.
