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Des particules magnétiques pour étudier la turbulence

Pour engendrer de la turbulence dans un fluide, des chercheurs du laboratoire Matière et systèmes complexes y introduisent des particules contrôlés à distance par un champ magnétique. Ce dispositif a permis de montrer que la dissipation d'énergie est proportionnelle au nombre de particules et à l'intensité du champ magnétique. Les résultats sont publiés dans la revue Physical Review Fluids (Rapid Communication).

Lors de l'écoulement rapide d'un fluide, la turbulence joue un rôle crucial dans les transferts d’énergie, de chaleur ou de concentration de contaminants dans le fluide. Or, ce phénomène d'écoulement désordonné est encore mal compris par les physiciens. Pour étudier expérimentalement la turbulence, les chercheurs injectent généralement de l'énergie dans le fluide à grande échelle et de manière déterministe, par exemple avec une hélice. Des chercheurs du laboratoire Matière et systèmes complexes (MSC, CNRS/ Université Paris Diderot), en introduisant des particules magnétiques dans un récipient contenant de l'eau, ont trouvé le moyen de créer de la turbulence à petite échelle de manière aléatoire dans le temps et l'espace, afin d'étudier notamment les propriétés des grandes échelles de l’écoulement (c’est-à-dire les échelles plus grandes que celle où a lieu l’injection d’énergie).

Les chercheurs ont fabriqué les particules magnétiques avec des petits aimants en néodyme, placés dans des cylindres en plexiglass d'un centimètre de diamètre et 1 centimètre de long. Les particules sont plongées dans un récipient d'eau, et mises en mouvement par un champ magnétique alternatif. En mesurant l'élévation de la température du fluide turbulent, l'équipe a prouvé que la dissipation d'énergie dans le fluide est proportionnelle au nombre de particules et à l'intensité du champ magnétique. Un accéléromètre placé sur le couvercle du récipient détectait également les collisions des particules. Les résultats obtenus montrent que la dissipation d'énergie dans le fluide est due aux frottements visqueux des particules dans le fluide et à leurs collisions inélastiques, entre-elles ou avec les parois du récipient.

Ce dispositif devrait permettre d'étudier plus finement le phénomène de la turbulence, qui joue un rôle important dans la plupart des écoulements géophysiques et astrophysiques (formation des étoiles et des planètes, génération de leurs champs magnétiques...). Ces travaux pourraient aussi être mis à profit pour améliorer l'efficacité des mélangeurs utilisés par l'industrie chimique et pharmaceutique. Par ailleurs, le dispositif peut servir de modèle pour des expérimentations dans d'autres domaines utilisant des particules dans un fluide contrôlées par un champ magnétique alternatif : l'hyperthermie magnétique, qui est une méthode expérimentale pour améliorer la chimiothérapie pour le traitement des cancers, ou les lits fluidisés magnétiques, utilisés dans des procédés technologiques.