Que sont l’écoulement laminaire et l’écoulement turbulent ?
Lors de la mesure du débit, il est important de prendre en compte les deux aspects possibles de l’écoulement : laminaire ou turbulent. À quel moment un effet de turbulence peut-il se produire ? Les débitmètres peuvent-ils être impactés ? Qu’est-il possible de faire pour limiter les effets néfastes d’un débit turbulent ? Ce sont des préoccupations légitimes pour des entreprises industrielles qui travaillent avec des instruments de mesure tels que les débitmètres.
Qu’est-ce qu’un régime d’écoulement ?
La connaissance du régime d’écoulement d’un fluide est essentielle pour comprendre les effets sur les phénomènes éventuels comme les transferts de chaleur, de matière, les pertes de charge…
En 1883, les trois principaux régimes d’écoulement ont été mis en évidence par Reynolds :
- L’écoulement laminaire :
C’est un écoulement linéaire. Le fluide s’écoule en filets parallèles à la conduite et ne se mélange pas.
- L’écoulement intermédiaire :
L’écoulement intermédiaire est moins rectiligne que l’écoulement laminaire. Il peut exister quelques tourbillons avec un peu de mélange.
- L’écoulement turbulent :
De grands tourbillons se forment durant l’écoulement. Les fluides se mélangent fortement.
Les frottements et la viscosité du fluide provoquent des différences de vitesse selon la distance des conduites. Nous retrouvons ces changements de vitesse qui occasionnent des turbulences et des pertes de charge dans le traitement des fluides industriels.
Qu’est-ce qu’un écoulement laminaire ?
Si l’écoulement est régulier, on parle d’écoulement laminaire, c’est-à-dire que le fluide est stationnaire, la solution observée est stable et présente très peu, voire pas du tout, de variations spatiales et temporelles.
De manière générale, on observe que la viscosité stabilise et régularise les écoulements. Si la solution présente une viscosité importante, alors elle s’écoule de façon laminaire.
Un écoulement se définit par son nombre de Reynolds, qui permet de connaître son niveau de stabilité. Quand le nombre est faible, l’écoulement est laminaire mais quand il est élevé, l’écoulement se révèle instable et turbulent.
L’écoulement laminaire est souvent l’effet souhaité. Il crée moins de pertes de charge. Plus stable, il permet d’anticiper les équations.
Qu’est-ce qu’un écoulement turbulent ?
L’écoulement turbulent dans la dynamique des fluides se définit par le mouvement irrégulier des particules du fluide. L’écoulement est chaotique, présentant des tourbillons et une forte instabilité. Les fluides se mélangent, la vitesse élevée et la faible viscosité de la solution créent une trajectoire aléatoire avec des variations spatiales et temporelles en continu.
Dans de nombreux procédés industriels, comme le génie nucléaire, la majorité des écoulements sont turbulents. Il est donc essentiel de connaître, de manière précise, le comportement dudit écoulement.
Les caractéristiques instables des turbulences compliquent les analyses et sont souvent le dernier problème non résolu de la physique mathématique classique.
Imprévisible, l’écoulement turbulent est théorisé à partir des études et découvertes de Léonard de Vinci à la Renaissance.
Le nombre de Reynolds : une donnée fondamentale pour déterminer l’écoulement d’un fluide
Théoriquement, le type de débit se caractérise par quatre variables :
- Le diamètre du tube.
- La vitesse du fluide.
- La densité du fluide.
- La viscosité dynamique du fluide.
La prise en compte de toutes les variables permet de fournir ce qui est appelé le nombre de Reynolds (Re). Ce paramètre est crucial pour déduire si l’écoulement est laminaire ou turbulent.
Il est dit qu’un nombre faible (-2300) désigne un écoulement laminaire et un nombre élevé (+3000) définit un écoulement turbulent. Le débit de transition, se situant entre 2300 et 3000, désigne l’écoulement intermédiaire, entre laminaire et turbulent.
Écoulement laminaire ou turbulent : comment calculer le nombre de Reynolds ?
En 1883, Reynolds réalise de nombreuses expériences sur l’écoulement d’un fluide dans un tuyau cylindrique rectiligne. Il démontre l’existence de deux régimes d’écoulement : laminaire et turbulent.
En testant des fluides de différentes viscosités, il observe qu’en variant le débit et le diamètre de la conduite on modifie l’écoulement. Reynolds montre que le paramètre qui détermine si l’écoulement est laminaire ou turbulent est un nombre désormais appelé nombre de Reynolds (Re) défini par l’équation suivante : Re = p.v.D/n ou Re = v.D/v
(p : masse volumique du fluide ; v : vitesse moyenne ; D : diamètre de la conduite ; n = viscosité dynamique du fluide ; v : viscosité cinématique).
L’importance d’un écoulement laminaire en tuyauterie industrielle
Un écoulement turbulent peut perturber la mesure de certains débitmètres. Un débitmètre massique thermique fonctionne selon le principe de mesure « by-pass », c’est-à-dire qu’une partie du débit principal passe par une restriction et la petite partie passe par un capteur. Le ratio entre les deux débits est donné par la perte de charge dans le capteur et la restriction de l’écoulement laminaire. L’instabilité de l’écoulement du fluide affecte ce ratio.
Les instruments « by-pass », majoritairement utilisés dans le milieu industriel et qui permettent des mesures très précises, rencontrent de grandes difficultés face à l’effet de turbulence. La surveillance des écoulements laminaires et turbulents est essentielle dans les procédés industriels. Rendant plus performante la production industrielle, l’utilisation des débitmètres permet de connaître précisément les données des fluides afin de mieux anticiper les mouvements futurs.
La surveillance des mouvements de fluide dans le domaine industriel est aujourd’hui à la pointe de la technologie. Ainsi les indicateurs de maintenance évaluent les besoins essentiels de maintenance d’une entreprise industrielle dans le but d’anticiper toute perturbation de production. Par des contrats de maintenance industrielle spécifique à votre domaine, Le Garrec vous accompagne dans la maintenance de vos installations pour mieux prévenir les risques et les défaillances de vos procédés.