La cassure du rythme lui ferait du bien. Le pompage d’un fluide à travers un tuyau de manière pulsée, au rythme du cœur pompant le sang dans l’aorte, réduit les turbulences et peut donc générer des économies d’énergie considérables. Que écrivent des chercheurs de l’Institut des sciences et technologies d’Autriche mercredi dans la revue scientifique Nature.
Cela semble formidable, mais lorsqu’on leur pose la question, les experts se montrent sceptiques quant à l’application de cette idée. La pause dans le pompage crée également une onde de pression, et une aorte élastique peut mieux l’absorber qu’un pipeline rigide.
Le pompage et la circulation de liquides et de gaz consomment beaucoup d’énergie. On estime que 10 pour cent de la production mondiale d’électricité est utilisée pour le pompage. Cela va de la grande échelle – les oléoducs et gazoducs industriels – à la petite échelle – les conduites de chauffage de la maison. Cela nécessite beaucoup d’énergie car la friction dans les pipelines crée des tourbillons dans le fluide (turbulence), avec des forces allant dans toutes les directions au lieu de simplement aller vers l’avant, comme souhaité.
Une autre stratégie
C’est un problème connu. Des solutions sont recherchées dans la conception des canalisations ou dans la composition des fluides. Cependant, le corps humain utilise une stratégie différente. Grâce au rythme cardiaque, il y a peu de turbulences dans la circulation sanguine.
L’idée du pompage pulsé n’est pas nouvelle. L’idée sous-jacente est qu’une accélération, qui se produit lorsqu’une pompe applique plus de force, ralentit la génération d’énergie cinétique turbulente et réduit la contrainte de cisaillement avec la paroi du tuyau. Le retard affecte également la résistance. Prendre une pause dans le pompage, comme le fait un cœur, n’avait jamais été étudié auparavant.
Les chercheurs ont expérimenté un tube de 1,2 mètre de long et d’un diamètre intérieur d’un centimètre. Un piston faisait circuler l’eau à travers un dispositif. À vitesse continue, des turbulences étaient observées dans tout le tube. C’est également le cas avec une vitesse qui change uniformément. Si le rythme du cœur humain était maintenu, y compris une pause après le délai, aucune turbulence ne pourrait être observée. Les ondes du graphique appartenant à cette variante ressemblent à celles d’un cardiogramme.
Une nouvelle énergie dans la vague
L’explication, selon les chercheurs, est que la pause dans le pompage découple l’accélération de la décélération précédente. Cela donne à la turbulence la possibilité de se dissiper avant qu’une nouvelle énergie n’entre dans la vague.
Les chercheurs calculent les économies d’énergie que cela peut générer à 9 pour cent, par rapport aux pompes à vitesse continue.
« L’idée est intéressante et je pense que les effets mesurés à l’échelle du laboratoire sont corrects », déclare Jerry Westerweel, professeur de dynamique des fluides à la TU Delft. « Mais le phénomène ne peut pas être amplifié. »
Fermez le robinet rapidement
C’est à cause de l’onde de pression provoquée par le retard. « Il y a un ‘coup de bélier' », explique Westerweel. « Vous pouvez vivre cela chez vous si vous fermez rapidement un robinet, puis vous entendez un bruit et les tuyaux vibrent. Dans l’expérience des Autrichiens, le degré de décélération combiné à la courte longueur du tube n’entraîne pas de différences de pression significatives. Mais si vous regardez la dynamique d’un système de canalisations à l’échelle utilisée dans l’industrie pétrolière et gazière, l’onde de pression est significative.
Il calcule : « Pour un diamètre de 20 centimètres, une longueur de tuyau de 10 kilomètres et une vitesse d’huile de 3 mètres par seconde, une onde de pression de 30 bars peut apparaître avec la même variation de débit pulsé que dans l’article. » A titre de comparaison : la pression dans une conduite d’eau est de 2 à 4 bars.
La comparaison avec la circulation sanguine est erronée à plusieurs endroits. « La paroi veineuse est élastique, ce qui signifie qu’une partie de l’énergie est utilisée pour étirer la paroi selon un flux pulsé », explique Westerweel. « En outre, le système vasculaire s’adapte aux variations du flux sanguin en augmentant le diamètre du vaisseau sanguin, ce qui ralentit la vitesse du flux. Rien de tout cela n’est possible dans un tube rigide, comme dans l’article.