Le but de notre P.I.R. a aussi consisté à tenter de reproduire une tornade en laboratoire. Nous avons ainsi expérimenté plusieurs méthodes. Une conclusion évidente est ressorti directement du fruit de notre travail : il est relativement difficile de « construire » une tornade. De nombreux paramètres sont à prendre en compte comme notamment le nombre de Reynolds de la tornade. En effet, en tenant compte des caractéristiques d’une tornade grandeur nature, on obtient un nombre de Reynolds égal à Re=9,71.10^7.

Il semble impossible de reproduire un phénomène dont le nombre de Reynolds est aussi élevé. Nous allons néanmoins tenter de mettre en œuvre un phénomène tourbillonnant dont les causes sont semblables à celle de la genèse d’une tornade.
Nous avons ainsi tenté plusieurs expériences mais n’avons choisi de ne vous en présenter que les deux plus intéressantes.

Expérience sous boîte en laboratoire :

Nous avons créé une boîte dans laquelle nous voulions générer un flux d’air tourbillonnant. Ainsi a-t-il été construit en laboratoire d’aéronautique une boîte en plexiglas ayant certaines particularités que nous allons décrire.

La boîte en plexiglas a les dimensions (les valeurs indiquées sont en mm). Nous l’avons équipée d’un ventilateur qui permet d’évacuer l’air de la boîte.
Sur le coté opposé de la boîte, côté symbolisant le sol, nous avons installé un mécanisme qui est censé être responsable du tourbillon qui va être créé.
Le mécanisme est en fait un filetage de même sens que le ventilateur pour éviter que les deux phénomènes s’opposent. A son bout, nous avons mis une sortie en forme de cône car nous pensons que cette forme de sortie va permettre d’amplifier le mouvement rotatoire du fluide.

Nous avons raccordé à l’entrée de la boîte un générateur de fumée qui va permettre de visualiser le tourbillon s’il est créé.

Nous avons effectué une première série d’essais sur la machine en tentant de faire varier les différents paramètres modifiables c’est-à-dire :

• La force du ventilateur
• La quantité de fumée
• La quantité d’air injectée dans la boîte

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Résultats d’expérience :

Ces derniers n’ont pas été concluants : en effet, l’absence de pression et la grosse perte de charge du au filetage en entrée ont empêché le fluide d’arriver avec une vitesse assez importante pour pouvoir tournoyer.
De plus, nous avons remarqué que la boîte n’avait certainement pas les dimensions adaptées pour obtenir un phénomène convenable.
Néanmoins, nous avons tenté d’apporter certaines améliorations à notre modélisation. Ainsi avons-nous décidé d’introduire l’air sous pression pour être sûr que, même avec une grosse perte de pression, nous arrivions à avoir une vitesse de l’air convenable. La décision d’introduire la fumée par un autre moyen dans le fluide a été prise : nous avons ainsi testé deux nouveaux moyens qui sont l’insertion directe dans la boîte de bâtonnets d’encens en train de se consumer et l’arrivée dans la boîte par une entrée annexe de la fumée du générateur. Par ce second procédé, nous avons tenter de pallier le problème de pression : en effet, le générateur ne semblait pas, au vue des premières tentatives, apprécier l’air sous une pression trop importante. Ce nouveau système permet ainsi d’insérer une quantité beaucoup plus abondante de fumée car il n’y a plus d’obstacle sur le trajet de la fumée jusqu’au fluide censé généré le tourbillon.
Nous avons aussi relevé lors de nos premiers essais qu’il était nécessaire d’utiliser un projecteur pour mieux discerner les phénomènes qui se produisait dans la boîte. C’est pourquoi nous avons rajouté à notre nouveau protocole expérimental la présence d’un projecteur de lumière d’une capacité de 1000W.

Une fois le nouveau protocole établi, nous avons effectué notre seconde série d’essai.

Nouveaux résultats d’expériences :

Les essais sont devenus un peu plus concluants mais ne permettent pas d’obtenir les résultats escomptés: nous voyons apparaître un fluide qui tourbillonne dans la boîte mais la cause du mouvement n’est pas le mécanisme que nous avons réalisé. En effet, nous remarquons que c’est l’air propulsé par le générateur de fumée qui est la cause du tourbillonnement du fluide. Nous avons pu nous en rendre compte lorsque nous avons utilisé les bâtonnets d’encens : l’air ne tourbillonnait pas.
De plus au travers de cette série d’essais, nous avons remarqué que ce tourbillon était très difficile à mettre en place mais surtout instable. Nous avons tout de même réussi avec le personnel du laboratoire (en particulier grâce à M . Soutoul) un pseudo tourbillon dont les raisons de son apparition correspondaient à celle de la formation d’une tornade. Nous avons remarqué qu’en initiant le phénomène c'est-à-dire en le favorisant en créant une amorce, il y avait apparition d’un tourbillonnement construit du fluide. Cependant, ce vortex était relativement instable et donc beaucoup trop éphémère pour pouvoir espérer tirer une conséquence est nécessaire d’initier le phénomène.
La méthode que nous avons mis en œuvre pour amorcer la tornade est de faire varier la hauteur du tourbillon : ce dernier n’apparaît que si l’on module la distance entre le ventilateur et la boîte. Cette particularité semble s’interpréter comme le phénomène d’étirement du vortex. En effet, en modifiant la distance boîte – ventilateur, nous créons de l’étirement qui sert d’amplificateur au vortex. Cette amplification est alors suffisante pour permettre un développement visuel du tourbillon. Nous comprenons dès lors que certains facteurs sont plus importants que d’autres et que l’étirement est un paramètre essentiel à la formation d’une tornade.
Par la suite, nous avons tenté un autre type d’expérience pour fabriquer la tornade. Ainsi avons-nous pensé à créer ce phénomène de convection naturelle qui caractérise les prémisses d’une tornade comme nous avons pu le voir en première partie. Nous avons donc cherché à créer une expérience qui permettait d’avoir un flux d’air visible qui aurait un mouvement du type suivant :

Nous avons donc cherché à modéliser au mieux tous ces phénomènes et avons abouti finalement à l’expérience suivante.

Expérience de la poêle :

En première partie, nous avons souligné que la formation d’une tornade était due en partie à la présence d’un cumulonimbus qui permettait un certain type de convection propice à la formation d’un flux d’air tourbillonnant. Sur ce point de vue, nous avons élaboré un protocole expérimental pour mettre en place la seconde expérience.
Face à l’échec de notre première expérience, nous avons donc décidé de modéliser plusieurs contraintes météorologiques et non pas d’en isoler une seule. Ainsi voit-on sur le schéma précédent que nous tentons de reproduire le gradient de température, et les mouvements d’air qu’on observe dans la réalité. Nous avons ainsi abouti au protocole expérimental suivant.

Protocole expérimental :

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Pour mettre en place le gradient de température dirigée vers le haut, nous avons utilisé une poêle et un réchaud. En faisant bouillir l’eau, la vapeur d’eau décrivait un transfert de chaleur, précisément une convection naturelle, entre le sol et l’air, qui correspondait au mouvement que l’on voulait obtenir.
A cela, nous avons voulu mettre en place une convection forcée qui créait un champ de vitesse orthoradial dans l’atmosphère ainsi qu’un flux d’air descendant au cœur du vortex. Pour réaliser toutes ces contraintes que nous nous somme imposés, la décision que nous avons prise a été de créer un ventilateur avec des pales dont l’orientation n’est pas la même que dans notre première expérience. Celles-ci ont été fixé verticalement (contrairement à des hélices) pour créer uniquement un phénomène de cisaillement de l’air et éviter l’aspiration que pourrait générer des pales penchées. En revanche, celles-ci n’empêchent pas le mouvement d’air descendant car ce dernier s’effectue sur l’axe de rotation du ventilateur et donc n’est pas trop modifié. De plus, cette masse d’air descendante est aidée par le refroidissement de la vapeur d’eau qui condense et donc entraîne ce mouvement. Nous tenons à souligner que l’orientation des pales nous a paru être un facteur relativement important car il est tout de même l’une des causes de l’échec de notre première expérience : pour créer une tornade, nous ne cherchons pas à aspirer mais juste à créer le cisaillement responsable du tourbillonnement.

Nous avons installé sur ce dispositif une machine à courant continu (MCC) qui va entraîner notre système de cisaillement. Nous l’avons reliée à une alimentation stabilisée pour pouvoir choisir à la fois tension et intensité ce qui nous permet alors de régler la vitesse de rotation des pales et donc en quelque sorte choisir la force du vent dans la modélisation.
Nous avons installé tout le dispositif {ventilateur+M.C.C.} sur un socle dont la hauteur par rapport à la poêle est réglable. La raison de cette initiative est tout simplement de pouvoir « amorcer » la tornade si cela est nécessaire comme nous avons pu le noter lors des essais de notre première expérience.
Enfin, nous utilisons un projecteur qui permet d’augmenter l’intensité lumineuse localisée dans le voisinage du phénomène. Un fond noir est installé pour accentuer le contraste car nous pensons que ce la va permettre de mieux observer le phénomène. Nous tenons à noter que nous avons effectué sur Internet une recherche sur la coloration possible de la vapeur d’eau mais elle n’a pas été fructueuse.

Protocole expérimental :

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Le protocole expérimental que nous avons établi est constitué de la manière suivante :

• Nous commençons par faire bouillir l’eau pour voir apparaître de la vapeur d’eau
• Une fois que l’eau commence à s’évaporer, nous allumons l’alimentation stabilisée et ainsi le ventilateur se met en marche
• Il faut alors manipuler le socle à hauteur réglable pour étirer le tourbillon qui commence à se former au voisinage de l’axe de rotation du ventilateur.
• Si la « mini- tornade » se stabilise, le dispositif est fixée à cette hauteur

Observations :

L’expérience s’est avérée fructueuse : nous voyons se former un vortex qui reste constant un petit laps de temps puis disparaît.. Néanmoins, nous avons noté quelques détails à améliorer : par exemple, nous avons omis que la vapeur d’eau est difficile à observer pour nos appareils de mesure (appareil photo).
C’est pourquoi nous avons décidé d’apporter des modifications sur notre protocole expérimental. Ainsi avons-nous décidé une tomoscopie qui permettra de mettre en évidence de manière plus visible la présence d’un phénomène tourbillonnant.

Définition et description d’une tomoscopie :

La tomoscopie par plan laser consiste à créer un éclairage intense qui va permettre de visualiser l’écoulement grâce à la réflexion des particules résiduelles qu’il y a dans l’air. En l’occurrence, dans notre expérience, les gouttelettes d’eau qui sont transportées dans la vapeur d’eau vont jouer le rôle de ces particules. L’avantage de faire jouer ce rôle à la vapeur d’eau est que l’on peut faire varier la quantité de particules et ainsi rendre la visualisation plus ou moins intense.
Le fonctionnement d’une tomoscopie par plan laser peut être schématisé de la façon suivante :

(cliquez sur l'image pour l'agrandir)

Nous allons placés la nappe laser de manière à ce qu’elle représente le plan horizontal. On va alors observer la formation d’un tourbillon en deux dimensions. En réalité, nous allons voir une coupe horizontale à une altitude h fixée du vortex de notre mini tornade. Cette expérience va nous permettre de voir si notre étude cinématique approche ou non la réalité. On doit pouvoir visualiser :

• Une vitesse dans le plan quasi nulle au cœur du vortex
• Une vitesse maximale sur le rayon du vortex puis une décroissance en 1/r du champ des vitesses
• Un champ de vitesses dont la composante principale est orthoradiale

On reconnaîtra alors qu’une coupe horizontale du vortex peut être assimilé à un tourbillon à deux dimensions. On pourra conclure qu’un moyen de modéliser un tourbillon en trois dimensions est d’intégrer sur une ligne de tourbillons à deux dimensions en tennat compte à chaque déplacement élémentaire des nouvelles conditions météorologiques (changement de température, pression, …). On devine facilement que cette étude semble très longue et difficile à mener. D’ailleurs, les météorologues utilisent des logiciels qui permettent de résoudre numériquement le problème.

Observations :
Pour réaliser la prise de mesures, nous avons repris le protocole expérimental des essais précédents auquel nous avons simplement rajouté la tomoscopie. Nous avons obtenu les photographies suivantes :

(cliquez sur une image pour l'agrandir)

Cette expérience a été très intéressante car nous avons pu en tirer un grand nombre d’informations. On peut déjà remarqué qu’elle confirme les données que nous avions trouvé lors de notre étude cinématique concernant le champ de vitesses ; en effet, on peut interpréter l’absence de couleur verte au cœur du vortex comme l’absence de vitesse. Nous avons pu tirer cette conséquence par un simple raisonnement : les particules n’étant pas en mouvement il n’y pas une augmentation de la densité de particule dans cette région. Or, une augmentation du nombre de particules est toujours suivie d’une augmentation du nombre de réflexions. C’est pourquoi on peut dire que la vitesse du fluide à l’intérieur du vortex est visiblement faible.
On peut rajouter avec des commentaires annotés ici pour mieux comprendre ce dont on parle
En raisonnant de la même manière, on peut dire que le champ des vitesses est maximal sur le rayon du vortex puis qu’il décroît avec la distance. Cette modélisation nous a donc permis de valider de manière qualitative notre étude cinématique.
Cette dernière expérimentation vient ainsi clore la partie expérimentale de notre P.I.R.. Nous aurions aimé la terminer en effectuant une P.I.V. mais nous n’avons pas pu en réaliser une faute de temps. Cette dernière expérience nous aurait permis de visualiser de façon très précise le champ des vitesses. Nous aurions ainsi pu confirmer de manière précise et non qualitative, comme c’est le cas avec la tomoscopie, la validité de notre étude cinématique et voir en quel point cette dernière est à améliorer. Ce point pourrait donc faire l’objet d’une suite à notre P.I.R pour des étudiants désirant prolonger notre étude dans les futures années.

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