Dompter les vortex

Motifs d'un vortex créé en laboratoire. Lorsqu’ils s’ajoutent au vortex principal, les tourbillons satellites, selon leur nombre, produisent soit un motif oval, soit des polygones de trois à six sommets. La formation de polygones ayant plus de six sommets est physiquement impossible.

Charybde et Maelström

Dans l’Odyssée d’Homère, Charybde est un horrible monstre marin capable d’engloutir navires et équipages. Lorsque la pensée scientifique a remplacé le mythe, on a compris que Charybde représentait un vortex océanique. Et Homère décrit ce tourbillon maritime avec une telle précision que son récit est encore valable¹ de nos jours. Il est d’ailleurs surprenant de constater que le poète a dépeint les effets de l’instabilité des vagues presque 3 000 ans avant que Kelvin² ne les prédise mathématiquement. De même, l'évocation du comportement dynamique des corps solides à l’intérieur de l’énorme tourbillon océanique Maelström (le Charybde du Nord) se retrouve dans Une descente dans le maelström, d’Edgar Allan Poe.

Ce phénomène, présent aussi au cœur des cyclones et des tornades, est aujourd’hui bien compris dans ses fondements. C’est cette force que nous avons harnachée pour mettre au point un échangeur d’air chaud qui permettra d’importantes économies d’énergie. Une réalisation résultant de 43 ans de recherche sur la dynamique de ces puissants tourbillons.

Au cœur des tourbillons 

Il est bien établi que la partie centrale d'un tourbillon abrite un certain nombre de tourbillons plus petits. Ceux-ci font d’ailleurs l’objet d’un examen scientifique minutieux depuis le milieu du 19^e siècle, en lien avec le développement d’une théorie atomique de la matière.

Plus récemment, cependant, le sujet a suscité davantage d’intérêt en raison de sa pertinence fondamentale dans les domaines de la superfluidité, de la physique des plasmas, des sciences de l’atmosphère et de l’océanographie. En outre, la probabilité que des phénomènes précis – tels le vortex polaire hexagonal de Saturne, les tourbillons d’aspiration dans les tornades, les tourbillons à méso-échelle dans les cyclones tropicaux ou même dans les panaches volcaniques tournants – puissent être d'une nature similaire, renchérit l’attrait de ces travaux.

En 1991, le Laboratoire de recherche sur la dynamique des fluides³ de l’Université Concordia, que je dirige, a fourni la première preuve expérimentale du phénomène réel, tandis qu’en 2008, nous avons validé expérimentalement la vénérable théorie⁴.

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Le tourbillon tsunami

Dans les années 1830, John Scott Russell cherchait à améliorer la conception des chalands de canal. C’est alors que cet ingénieur naval écossais découvrit un phénomène de physique : l’onde de translation (ou vague solitaire, communément appelée tsunami, c’est-à-dire « vague du port » en japonais). Ces vagues se caractérisent par leur grande vitesse et par leur capacité à couvrir de longues distances sans perdre de leur vélocité.

Dans notre laboratoire, nous avons réussi à produire⁵ le premier tsunami tournant. Cette expérience a permis d’étudier le phénomène du début à la fin, sans bouger, bien au sec. Les résultats sont d’un grand intérêt pour de multiples champs de recherche qui abordent la dynamique des vagues ou des ondes : hydrodynamique, acoustique, électromagnétisme, optique, physique des plasmas, météorologie, biologie et même astrophysique.

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Harnacher les tourbillons

La crise imminente du secteur de l’énergie oblige à redéfinir nos besoins en la matière et à préserver les réserves existantes en attendant de trouver des sources de remplacement. De plus, une réduction des besoins en énergie pour un même niveau d’activité permettra de diminuer la pollution – problème aussi pressant. Une utilisation plus efficace des ressources énergétiques aura également un impact économique, notamment en diminuant les dépenses, tant pour les fabricants que pour les consommateurs, ce qui se traduira par une hausse des profits ou une baisse du prix des produits, voire les deux.

C’est ambitieux, mais il s’avère que la force des vortex peut être domptée pour contribuer à relever l'ensemble de ces défis. L’équipe de notre laboratoire a en effet développé un des rares appareils répondant à la plupart de ces principes de durabilité. Il s’agit d’un échangeur⁶ de chaleur à vortex.

Les échangeurs thermiques sont utilisés dans les systèmes de réfrigération, les centrales électriques ou les raffineries de pétrole. Ce sont d’énormes machines qui transfèrent la chaleur entre deux fluides pour réguler la température des procédés industriels. Or, du fait de leur grand volume, ces transferts de chaleur sont très énergivores.

Plus de 20 ans de recherche sur les écoulements tourbillonnaires, soit sur la manière dont les tourbillons altèrent la circulation de fluides comme l’air ou l’eau, ont permis de concevoir un nouveau dispositif⁷. Quand j’ai saisi que l’écoulement tourbillonnant pouvait considérablement augmenter les échanges de chaleur, j’ai vite compris la portée du phénomène en termes d’application commerciale.  

En collaboration avec l’équipe du laboratoire, et tout particulièrement du boursier doctoral Mohammed Fayed, nous avons « reconçu » l’échangeur thermique et mis au point un prototype 40 fois plus efficace que le modèle traditionnel. Cette réinvention permettra de réaliser d’immenses économies d’énergie et de réduire les frais d’exploitation, en plus d’avoir de vastes répercussions industrielles.

• 1G. H. VATISTAS, “Vortices in Homer’s Odyssey–A Scientific Approach”, dans Science and Technology in Homeric Epics, Paipetis S., Ed., Springer, 2008, chapitre 4.
• 2W. THOMSON (Lord Kelvin), “On vortex atoms”, Proceedings of the Royal Society of Edinburgh, no6, 1869, p. 94-105.
• 3G. H. VATISTAS, “A Note on Liquid Vortex Sloshing and Kelvin’s Equilibria”, J. Fluid Mech., no 217, 1990, p. 241-248.
• 4G. H.VATISTAS, et autres, “Experimental Confirmation of Kelvin’s Equilibria”, Phys. Rev. Lett., vol. 100, no 17, 2008, 174503.
• 5H. A. ABDERRAHMANE, et autres, “Azimuthal Solitary Surface Wave in Cylindrical Tank”, Phys. Rev. E., vol. 84, no 3, 2011, 037302.
• 6G. H. VATISTAS et M. FAYED, “Heat-Exchanger Configuration”, Provisional US Patent (USPTO), no 61/219, 24 juin 2009, p. 801
• 7S. LIN, J. CHEN et G. H. VATISTAS, “A Heat Transfer Relation for Swirl Flow in a Vortex Tube”, The Canadian Journal of Chemical Engineering, vol. 68, no 6, 1990, p. 944-947