Le problème des écoulements de billes, ou comment choisir le bon angle pour éviter les bouchons

Une mauvaise conception peut avoir de graves conséquences. En 2020, l’agence Bloomberg révèle la mésaventure de la marine américaine. Ses nouveaux navires souffrent d’un défaut qui contraint de dépenser des centaines de milliers de dollars pour déboucher leurs toilettes, qui ont la fâcheuse tendance de s’obstruer trop rapidement.

Ce problème de bouchage de tuyaux n’est pas rare. Dans le corps humain, des caillots bloquent des artères. En géophysique, des puits sont fermés, car encombrés après l’injection de fluides. Pour imprimer en ciment ou en béton des murs voire des bâtiments entiers, les ingénieurs hésitent sur les diamètres ou débits à utiliser pour ne pas colmater les buses.

D’autres exemples bien connus de particules bouchant des orifices existent dans des environnements dits « secs », sans fluides, comme les embouteillages, les évacuations de foule ou l’écoulement de grains dans des silos agricoles.

Même si ces situations sont banales, elles restent largement incomprises. C’est même devenu un domaine de recherche, le clogging, dont l’activité est en pleine croissance depuis une quinzaine d’années. Dans Physical Review Research du 10 septembre, une équipe de l’université de Californie à Santa Barbara a ajouté son grain de sel.

« Phénomène aléatoire »

Il y a trois grandes manières de boucher un trou dans un écoulement dont le diamètre se réduit. Cela arrive soit parce que les particules sont plus grosses que le trou (c’est évident, mais, dans des environnements inhomogènes, il n’est pas rare d’avoir des particules de taille variable). Soit parce que les petites particules s’agrègent en se collant entre elles, en en formant de plus grosses qui ne passent plus.

Soit, enfin, elles arrivent en même temps dans l’entonnoir et bloquent l’écoulement en formant une forme identique à celle de voûtes architecturales. L’équipe américaine a étudié cette dernière situation, la plus simple. « Cela reste laborieux, car le phénomène est aléatoire et demande donc de faire jusqu’à cinquante expériences pour obtenir un seul point de mesure pertinent », souligne Alban Sauret, le responsable de l’équipe.

Ces chercheurs ont fait couler de l’eau distillée contenant des billes de polystyrène d’environ un demi-millimètre de diamètre dans des canaux en forme d’entonnoir de différents angles. A grand angle, ils ressemblent à une seringue : le fluide passe d’un large réservoir à un petit tuyau brutalement. A petit angle, au contraire, la transition est douce, comme s’il n’y avait qu’un tuyau. La configuration avait déjà été étudiée pour des grains secs, avec la conclusion qu’il vaut mieux faire des écoulements à petits plutôt qu’à grands angles.

Il vous reste 47.43% de cet article à lire. La suite est réservée aux abonnés.