Des chercheurs en dynamique des fluides bruns mettent en lumière la façon dont les objets partiellement immergés subissent la traînée

PROVIDENCE, RI [Université Brown] — L'une des expériences les plus courantes et les plus utiles dans la dynamique des fluides consiste à maintenir un objet dans l'air ou à le plonger complètement sous l'eau, l'exposant à un flux constant pour mesurer sa résistance sous forme de traînée. Les études sur la résistance à la traînée ont conduit à des avancées technologiques dans la conception des avions et des véhicules et ont même fait progresser notre compréhension des processus environnementaux.

C'est beaucoup plus difficile de nos jours. Comme il s'agit de l'un des aspects les plus étudiés de la dynamique des fluides, il est devenu difficile de glaner ou de détailler de nouvelles informations sur la physique simple de la résistance à la traînée à partir de ces expériences classiques. Mais une équipe d’ingénieurs dirigée par des scientifiques de l’Université Brown a réussi à y parvenir en ramenant ce problème à la surface – à la surface de l’eau, bien sûr.

Décrits dans un nouvel article paru dans Physical Review Fluids, les chercheurs ont créé un petit canal semblable à une rivière en laboratoire et ont abaissé des sphères – constituées de différents matériaux hydrofuges – dans le ruisseau jusqu'à ce qu'elles soient presque entièrement submergées par l'eau qui coule.

Les résultats de l’expérience illustrent les mécanismes fondamentaux – et parfois contre-intuitifs – selon lesquels la traînée sur un objet partiellement immergé peut être plusieurs fois supérieure à la traînée sur un objet entièrement immergé constitué du même matériau.

Par exemple, les chercheurs, dirigés par les ingénieurs de Brown, Robert Hunt et Daniel Harris, ont découvert que la traînée sur les sphères augmentait dès qu'elles touchaient l'eau, quel que soit le degré d'hydrofuge du matériau de la sphère. À chaque fois, la traînée augmentait considérablement plus que prévu et continuait d'augmenter à mesure que les sphères étaient abaissées, ne commençant à baisser que lorsque les sphères étaient complètement sous l'eau.

"Il y a cette période intermédiaire où les sphères entrant dans l'eau créent les plus grandes perturbations, de sorte que la traînée est beaucoup plus forte que si elle se trouvait bien sous la surface", a déclaré Harris, professeur adjoint à la Brown's School of Engineering. « Nous savions que la traînée augmenterait à mesure que les sphères s'abaisseraient, car elles bloquent davantage le flux constant, mais ce qui est surprenant, c'est à quel point elle augmente. Ensuite, à mesure que vous continuez à pousser la sphère plus profondément, la traînée redescend.

L’étude montre que les forces de traînée sur des objets partiellement immergés peuvent être trois à quatre fois supérieures à celles sur des objets entièrement immergés. Les forces de traînée les plus importantes, par exemple, ont été mesurées juste avant que la sphère ne soit complètement submergée, ce qui signifie que l'eau coule tout autour d'elle mais qu'il reste encore une petite zone sèche qui dépasse à la surface.

"On pourrait s'attendre à ce que la quantité de sphère dans l'eau corresponde à l'ampleur de la traînée", a déclaré Hunt, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Harris et premier auteur de l'étude. « Si tel est le cas, vous pourriez naïvement approximer la traînée en disant que si la sphère est presque à 100 % dans l’eau, la traînée sera presque la même que si elle était complètement immergée sous la surface. Ce que nous avons découvert, c’est que la traînée peut en réalité être beaucoup plus importante que cela – et non pas 50 %, mais plutôt 300 % ou 400 %. »

Les chercheurs ont également découvert que le niveau de déperlance de la sphère joue un rôle clé dans les forces de traînée qu’elle subit. C’est là que les choses deviennent un peu contre-intuitives.

L’expérience a été réalisée avec trois sphères par ailleurs identiques sauf que l’une était recouverte d’un matériau superhydrophobe, la rendant très hydrofuge, tandis que les autres étaient constituées de matériaux de moins en moins hydrofuges.

En effectuant les expériences, les chercheurs ont découvert que le revêtement superhydrophobe rencontrait plus de traînée que les deux autres sphères. C'était une surprise car ils s'attendaient au contraire.

"Les matériaux superhydrophobes sont souvent proposés pour réduire la traînée, mais, dans notre cas, nous avons constaté que les sphères superhydrophobes, lorsqu'elles sont presque complètement immergées, ont une traînée beaucoup plus grande que la sphère constituée de tout autre produit hydrofuge", a déclaré Hunt. "En essayant de réduire la traînée, vous pourriez en fait l'augmenter considérablement."