Une soupape hydraulique qui fonctionne comme un parapluie retourné par le vent
Tout le monde a pu voir un parapluie se retourner sous l’effet d’un coup de vent.
C’est de ce phénomène classique que se sont inspirés des chercheurs de l’Århus University, Århus, Danemark, et de l’Université de Cagliari, Italie pour utiliser cette instabilité de flambage afin de réaliser des soupapes de contrôle hydraulique.
Les chercheurs ont étudié cette instabilité dépendante de l’écoulement pour concevoir un système de soupapes passives. Ils ont relié le seuil de l’instabilité à la nature du matériau utilisé et à la géométrie du système pour concevoir une soupape à transition brusque qui permet un contrôle de fluide non linéaire passif, c’est-à-dire sans une chaîne de régulation qui utiliserait senseur, électronique et vanne motorisée.
Ils ont limité ce phénomène au régime d’écoulement laminaire, c’est-à-dire quand le fluide a des vitesses suffisamment faibles pour que le phénomène de turbulence soit négligeable.
La figure 1. ci-dessous montre les éléments et le fonctionnement de ce dispositif où la soupape est constituée d’une coquille sphérique insérée dans un conduit. Les coquilles fabriquées et utilisées présentent une bistabilité, c’est-à-dire qu’elles ont deux configurations stables, l’une sans déformation et l’autre avec.
Fig.1. a) Schéma de l’expérience : Une coquille élastique d’angle d’ouverture θ est installée au centre d’un canal cylindrique de rayon Rc. L’écoulement du fluide visqueux y suit la courbe de vitesse parabolique
s’annulant au contact de la paroi du tube (Ecoulement de Poiseuille de vitesse maxima Umax).
b) Ecoulement autour d’une coquille rigide avec θ= 40° et
R/h = 104 où R est le rayon de la coquille et h son épaisseur.
Les lignes de courant sont superposées sur la carte en couleurs du module de la vitesse (à gauche) et les contours de la pression p le sont sur la carte en couleurs de celle-ci.
c) Photos d’une coquille allant jusqu’à sa transition
avec R =15 mm, h= 0,23 mm, θ= 30°. Le rayon du tube cylindrique Rc vaut 12,5 mm, le module d’Young de la matière de la coquille E = 1,1MPa, et le débit est Q = 100 ml/min. De (i) à (iii), le temps s’écoule alors
que la coquille se déforme à peine avant de subir une brusque transition en (iv).
Tiré de Fluid-Induced Snap-Through Instability of Spherical Shells.
Pier Giuseppe Ledda, Hemanshul Garg, Vitus Østergaard-Clause,
Lucas Krumenacker Rudzki,c Ahmad Madary, and Matteo Pezzulla.
PHYSICAL REVIEW LETTERS 135, 234002 (2025).
Avec autorisation.
Nous pouvons voir sur la Figure 2. comment le retournement subit de la coquille ferme le tube de rayon Rs qui est ≤ R, rayon de la coquille.
Fig.2. Photos de la coquille faisant soupape avant (a) et après (b) la transition En haut (a ) La coquille flexible (en vert) a sa configuration initiale. Sa courbure est dirigée comme au repos de façon à laisser le fluide passer dans le tube de sortie comme l’indique les lignes de courant en bleu. En bas (b) Quand le courant est assez fort, la coquille inverse brutalement sa courbure et prend une configuration qui ferme l’orifice de sortie du fluide. Tiré de Fluid-Induced Snap-Through Instability of Spherical Shells. Pier Giuseppe Ledda, Hemanshul Garg, Vitus Østergaard-Clause, Lucas Krumenacker Rudzki,c Ahmad Madary, and Matteo Pezzulla. PHYSICAL REVIEW LETTERS 135, 234002 (2025). Avec autorisation.
Une coquille sphérique bistable peut donc servir à la réalisation d’une soupape passive permettant un contrôle hydraulique non linéaire. La vidéo suivante montre en temps réel le mouvement de déformation de la coupelle.
Tiré de Fluid-Induced Snap-Through Instability of Spherical Shells.
Pier Giuseppe Ledda, Hemanshul Garg, Vitus Østergaard-Clause,
Lucas Krumenacker Rudzki,c Ahmad Madary, and Matteo Pezzulla.
PHYSICAL REVIEW LETTERS 135, 234002 (2025).
Supplementary Material. Avec autorisation.
Les chercheurs ont ainsi démontré qu’une coupelle sphérique bistable pouvait constituer une soupape passive permettant un contrôle de flux hydraulique dans le domaine laminaire.
Ils suggèrent que des réseaux de fluides puissent être équipés de soupapes de ce genre, y compris celles ayant plus de deux états stables, pour achever un contrôle décentralisé d’un fluide. En outre le fait que la soupape ci-dessus présente une mémoire donne à penser que de multiples soupapes pourrait, en interagissant avec un réseau de fluide, fournir un système d’auto-régulation sans faire appel à des composants électromécaniques.
Pour en savoir plus :
Fluid-Induced Snap-Through Instability of Spherical Shells.
Pier Giuseppe Ledda, Hemanshul Garg, Vitus Østergaard-Clause,
Lucas Krumenacker Rudzki,c Ahmad Madary, and Matteo Pezzulla.
PHYSICAL REVIEW LETTERS 135, 234002 (2025).
