Transition laminaire-turbulent

La couche limite qui se développe sur les corps 2D et 3D placés dans un écoulement connaît une transition laminaire-turbulent à un certain nombre de Reynolds. La transition de cette couche limite modifie beaucoup l'écoulement sur ces corps, en cela que la couche limite laminaire résiste beaucoup moins bien aux séparations de couche limite (ou décollements) que la couche limite turbulente. Un cas typique de cette influence de l'état de la couche limite (état laminaire ou état turbulent) est la crise de traînée de la sphère : pour un très faible accroissement du nombre de Reynolds, le coefficient de traînée de la sphère peut être divisé par 5. Le cylindre infini lui-même, lorsqu'il est présenté en travers d'un écoulement, connaît lui aussi une crise de traînée (également liée au changement d'état de la couche limite).

Les crises de traînée de la sphère et du cylindre sont les archétypes des crises de traînée de corps 3D et 2D. Tous les corps suffisamment profilés^[19] connaissent une crise de traînée (liée à la transition de leur couche limite). Le graphe ci-contre dessine la crise de traînée de profils symétriques de différentes épaisseurs selon le Reynolds longitudinal de leur écoulement (à incidence nulle)^[20],[21] (la crise de traînée du cylindre figure sur ce graphe).

Il convient d'attirer l'attention des lecteurs sur une confusion fréquente entre l'état de la couche limite sur un corps et l'état de l'écoulement autour de ce corps : Comme le montre l'exemple des corps profilés (2D ou 3D), ce n'est pas parce que la couche limite qui se développe à leur surface a effectué sa transition de l'état laminaire à l'état turbulent que l'écoulement sur ces corps devient chaotique : au contraire, l'état turbulent de la couche limite conduit souvent à des réattachements (ou recollement) de l'écoulement sur l'aval de ces corps, c.-à-d. que l'écoulement est souvent beaucoup plus laminaire à l'extérieur d'une couche limite turbulente qu'à l'extérieur d'une couche limite laminaire (cette couche limite laminaire favorisant les décollements de culot, donc un écoulement chaotique sur l'aval des corps). C'est si vrai qu'à l'extérieur de la couche limite turbulente sur un corps profilé on peut utiliser le théorème de Bernoulli alors que ce serait une faute de l'utiliser avec un écoulement décollé (et chaotique)^[22].

En conséquence, il faut se garder d'utiliser sans précisions des expressions comme écoulement laminaire ou écoulement turbulent quand la couche limite de ces écoulements est dans un état laminaire ou turbulent... En d'autres termes, l'état laminaire, qui peut apparaître comme souhaitable (parce que doux et régulier) n'est pas forcément souhaitable pour la couche limite (l'état laminaire de la couche limite conduisant souvent à des décollements de culot sur les corps même profilés, donc à une nette augmentation de leur ${\displaystyle C_{x}}$). C'est pour cela que, dans certains cas, on suscite la transition de la couche limite jusqu'à l'état turbulent par l'usage de turbulateurs, ceci dans le dessein de diminuer le ${\displaystyle C_{x}}$.

Les propos de mise en garde qui viennent d'être tenus conviennent encore aux cas très particuliers des profils laminaires (2D et 3D) qu'on gagnera à toujours appeler profil à laminarité étendue de leur couche limite : ce sont des corps dont la forme très particulière recule au maximum la transition de leur couche limite (toujours depuis l'état laminaire jusqu'à l'état turbulent) dans le but de profiter du coefficient de friction pariétal (${\displaystyle C_{f}}$) plus faible de la couche limite laminaire (le ${\displaystyle C_{f}}$ laminaire est, en ordre de grandeur, deux fois plus faible que le ${\displaystyle C_{f}}$ turbulent). Par ce moyen, on obtient des ${\displaystyle C_{x}}$ de friction plus faibles et donc des ${\displaystyle C_{x}}$ totaux également plus faibles (le ${\displaystyle C_{x}}$ des corps profilés étant essentiellement dus à la friction).

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