Vortex et écoulement

Comment vider une bouteille d’eau?

Dans la lignée des articles « L’Hydrodynamique c’est fantastique ! », et « Plouf ou plop ? », qui amorçaient  une série sur des phénomènes d’hydrodynamique fondamentale,  je souhaiterai montrer cette expérience bien connue à propos des vortex.

Cette expérience, approfondie ici, et surtout , consiste à vider une bouteille d’eau grâce à la création d’un vortex et donc d’un écoulement air/eau continu, plus rapidement que par le mode classique intermittent.

Je pense que cela a sa place ici, car (comme les deux précédents articles) cela traite d’un phénomène biphasé (présence d’eau et d’air). Or, nos chers voiliers, et plus particulièrement les foils, ont la mauvaise manie d’évoluer à l’interface eau/air. Le passage d’un plan porteur dans un environnement mixte est un domaine plutôt peu étudié, il faut donc aller chercher l’info là où elle est…

De plus, les bouts d’aile, et plus généralement les obstacles, génèrent des vortex.

vortex de bout d'aile derrière un avion d'épandage agricole

coupes multiples d'une simulation numérique de l'A340

cavitation en vortex au bout d'une aile elliptique - http://caltechbook.library.caltech.edu/1/4/chap7.htm

Ce qui est intéressant dans l’expérience de la bouteille, c’est que le vortex n’est pas un frein. Au contraire, c’est un phénomène qui apparaît pour minimiser l’état d’énergie du système, et faciliter l’écoulement de l’eau. Dit autrement, le vortex augmente le rendement de cet écoulement.

Ce phénomène fait aussi écho à l’article « dispositifs anti ventilation ». Un vortex pourrait-il piéger en son sein l’écoulement d’air venant de la surface ? L’expérience de la bouteille montre clairement qu’il est plus facile pour l’air de passer par l’intérieur du vortex, plutôt que se propager de manière discontinue en grosses bulles. Or, sur un foil classique,  mon interprétation de certains problèmes de ventilation, c’est que c’est une poche d’air qui descend depuis la surface. Si cette poche rencontrait un vortex, peut-être y resterait-elle piégée, s’écoulant vers l’arrière? Cette poche d’air resterait piégée car l’intérieur du vortex est une zone de basses pressions, entourée de zones de haute pression. L’explication fonctionne aussi en reprenant l’approche énergétique énoncée plus haut.

Les turbulences, vortex et autres phénomènes non laminaires, ne sont pas toujours des ennemis à éliminer. Ce sont parfois de puissants alliés. Ce sont eux qui permettent aux avions à aile delta d’atterrir si « lentement » (et donc au Rafale de ne pas rater le porte-avions). Ce sont aussi eux qui, provoqués par les plans canards, permettent de réinjecter de l’énergie dans la couche limite, et de retarder le décrochage. Ce sont eux qui, provoqués par un fil tendu devant le bord d’attaque, permettent aux ailes de certains petits planeurs radiocommandés d’être en permanence en régime non laminaire (leur petite taille, donc leur faible nombre de Reynolds, ne leur permettant pas ce régime). Cela permettrait, sur le papier, de bonnes aptitudes à voler lentement avec un faible taux de chute (et donc traquer les petites ascendances). Bref, je milite pour le retour en bonnes grâces de ces phénomènes et contre le dogme du « laminaire à tout prix ».

Quelqu’un de plus « terre-à-terre » que les marins pourrait souligner que ce phénomène peut être très utile pour le « binge dinking » !

Pour terminer, cette page qui compile de très belle petites vidéos de vortex (et aussi l’expérience de la bouteille)

Ne ratez l’Etna faisant des ronds de fumées et le plongeur jouant avec les ronds de bulle (ça j’y ai passé des heures, mais dans jamais atteindre son niveau !)

Une dernière vidéo, pour se rendre compte de l’énergie que peut contenir le phénomène des ronds de fumée.

8 commentaires pour Vortex et écoulement

  1. gurval dit :

    Salut xavier.
    Je ne sais pas si tu connais ce site http://inter.action.free.fr/ mais dans la partie labo aéro on y trouve des trésors. Plus particulièrement les système de visualisation avec de l’huile, c’est simplement génial: http://inter.action.free.fr/labo-aero/aero-experimentale/diagnostic-aero/diagnostics-aerodynamiques.html

  2. xavierlabaume dit :

    merci de me le rappeler, j’y avais deja traine un jour…

    ca donne de tres bonnes idees pour se bricoler un systeme de visualisation. reste plus qu’a adapter ca a la flotte (fils suffisament fins/ fluide visqueux adapte a l’eau de mer).

  3. Bon alors, il n’y a pas plus de réactions à ce très intéressant article de Xavier ?
    Très beaux documents très bien compilés et qui méritaient d’être présentés sur « Foilers ».
    Bravo
    Fred

  4. Pierre dit :

    Bonsoir !
    Je viens de passer près de deux heures sur ce site, c’est passionnant ! J’ai eu du mal à me concentrer sur ma recherche initiale : Le windsurf à foil, tant les autres sujets sont attirants.
    Notamment celui-ci, sur les vortex. J’ignorais que les turbulences pouvaient être bénéfiques.
    Je consacre mon TIPE à l’étude du foil sous une planche à voile et je pense pouvoir faire bon usage de conseils, d’une discussion, mieux encore d’un entretien avec un des auteurs de site. Rien d’immédiat bien sure, je me renseigne simplement en espérant que vos emplois du temps des mois à venir vous permettront d’accéder à ma demande !
    Bonne soirée et longue vie à ce blog !

    • Bonsoir Pierre,
      Heureux que ce blog te plaise.
      Il ne faut pas hésiter à utiliser ce blog pour ton TIPE. Il est même possible d’utiliser le format « Question / réponse » que tu as peut être découvert et que tu peux trouver en tapant « Question Réponse Foilers » sur Google.
      Si besoin, tu trouveras mon adresse mail sur mon site (voir page « Auteurs »).
      A bientôt
      Fred de Lo

    • Bonjour Pierre,

      J’ai quelques idées sur la question si ça peut t’aider.
      http://gerard.delerm.free.fr

      Je ne suis pas parvenu à des résultats spectaculaires mais je ne désespère pas de faire mieux si j’ai un peu plus de courage.

      Je suis à ta disposition, soit sur ce blog, soit par email (tu le trouveras sur mes pages perso)

      Bon courage et à bientôt,

      GG

  5. Jamie Iomo dit :

    Good evening

    Definitely gonna recommend this post to a few friends

  6. Rémy dit :

    Un concept vraiment très intéressant. On observe bien le vortex à l’intérieur !

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