Glossaire

turbulence

  Curieux  

Il est très usuel de constater l'existence de deux modes distincts d'écoulement d'un liquide ou d'un gaz tel que l'eau, l' air ou tout autre fluide. Un fleuve coulant lentement adoptera ainsi un écoulement laminaire , où les vecteurs qui représentent à l'aide d'une flèche, en chaque point et à chaque instant, la direction, le sens et l'intensité de la vitesse de déplacement de l'eau s'écartent peu de leurs moyennes dans un intervalle de temps donné ou dans une parcelle d'eau donnée : les lignes de courant du flux s'organisent alors en courbes presque parallèles au sein de parcelles analogues à de fines lames superposées, qui glisseraient les unes au-dessus des autres sans créer entre elles de frottement notable. Et pourtant, même au sein de ce mouvement d'ensemble se distingueront ici ou là des mouvements tourbillonnaires, voire inorganisés, par exemple autour d'une avancée d'une berge ou dans le sillage d'un bateau ou d'une arche de pont, et ces mouvements seront l'indice que le fleuve est passé en ces endroits à un écoulement turbulent , analogue à celui d'un cours d'eau rapide au parcours heurté.

Au sein d'un écoulement de ce genre, les écarts des vecteurs vitesse de déplacement de l'eau à leurs moyennes se répartissent dans toutes les directions et tous les sens, avec une grande soudaineté dans les changements d'intensité, et cette variabilité se constate dans le temps (par exemple dans la trajectoire d'un objet flottant porté par le fleuve) comme dans l'espace (par exemple contre le pied d'une arche) : alors, les lignes de courant semblent se mêler entre elles, et les objets ou les traces solides ou liquides transportés par le fleuve se mélangent et se dispersent en effet avec beaucoup plus de vigueur et de rapidité que dans un écoulement laminaire ; les parcelles d'eau paraissent glisser difficilement les unes par rapport aux autres, comme si elles se faisaient obstacle en créant du frottement entre elles. La vitesse horizontale de l'eau, en particulier, peut subir à un instant donné, suivant la verticale , des changements brusques d'intensité ou de direction, à l'image des cisaillements verticaux du vent . Cependant, l'ensemble de ces phénomènes, qui caractérise par définition l'état de turbulence d'un fluide en mouvement par rapport à son contenant, n'est pas synonyme de désordre absolu : des figures y surgissent, comme des tourbillons de diamètres divers, et ces figures se maintiennent dans le flux pendant des durées dont les ordres de grandeur semblent en relation avec ceux de leurs diamètres. Le passage de l'écoulement laminaire à cet état turbulent est déterminé par le seuil que peut franchir à force de croître une grandeur sans dimension, le nombre de Reynolds , qui prend en compte les caractéristiques physiques du fluide à travers sa viscosité ainsi que les conditions géométriques et dynamiques de son mouvement.

Les caractéristiques d'un courant turbulent, telles qu'esquissées dans le cas de l'eau en opposition à un écoulement laminaire, sont transposables point par point au cas de l'air, lequel, par sa faible viscosité, entretient autour des instruments de mesure des valeurs élevées du nombre de Reynolds et donc des courants turbulents, ce dont témoignent les rafales s'écartant sans cesse des direction moyenne et vitesse moyenne du vent . Plus généralement, dès lors que l'on étudie l' atmosphère à une échelle spatio-temporelle déterminée, les mouvements de l'air aux échelles plus réduites ne peuvent être pris en compte que sous la forme d'une turbulence atmosphérique dont l'expression dans les équations de la prévision est irrémédiablement approximative, et ce alors que cette expression joue un rôle clé dans de nombreux problèmes de la météorologie , en particulier dans ceux concernant la diffusion des propriétés de l'air — principalement la quantité de mouvement , la chaleur , l' humidité spécifique , les traces et aérosols — , la couche limite planétaire et la pollution atmosphérique .


  Initié  

Quelques termes en matière de turbulence

La turbulence atmosphérique est constituée par les mouvements de l' air qui, à l' échelle spatio-temporelle considérée, prennent un aspect erratique et effectuent le transfert de quantité de mouvement , de chaleur ou d' humidité d'une façon si complexe que seules leurs propriétés statistiques peuvent être identifiées et étudiées. Le champ turbulent formé par ces mouvements irréguliers de l'air, qui se superposent aux mouvements du "champ moyen" — celui des moyennes spatiales — , est alors décrit de façon statistique par les moyennes temporelles d'un ensemble de fonctions associées aux grandeurs physiques qui définissent les propriétés du champ global, somme du champ moyen et du champ turbulent. Parmi les nombreuses expressions qui se rapportent à cette notion de turbulence atmosphérique, distinguons alors :

 

  • la turbulence à deux dimensions (ou bidimensionnelle ), qui est la turbulence associée à un champ turbulent de grande échelle , supposé quasiment horizontal ;

 

 

  • la turbulence homogène , dans laquelle les moyennes temporelles décrivant statistiquement le champ turbulent sont indépendantes de la position du point en lequel est étudié ce champ. En cas de dépendance spatiale, on a affaire à une turbulence "non homogène" ;

 

 

  • la turbulence isotrope , dans laquelle ces moyennes temporelles sont indépendantes de l'orientation spatiale des axes du référentiel choisi pour étudier le champ turbulent. Dans l' atmosphère , cette propriété d'isotropie se rencontre assez loin de la surface terrestre : dans les autres sites, on a affaire à une turbulence "non isotrope" ;

 

 

  • la turbulence libre , provoquée par les mouvements irréguliers de l'air principalement déclenchés sous l'effet de la poussée d'Archimède ;

 

 

  • la turbulence mécanique , constituée par les mouvements irréguliers de l'air causés par son écoulement au-dessus d'une surface rugueuse, à travers une discontinuité de surface ou autour d'un obstacle ;

 

 

 

 

  • la turbulence orageuse , qui est une turbulence souvent très forte se développant à l'intérieur ou à proximité d'un nuage d' orage .