Chloé Leroy
Le pompage de liquides peut sembler un problème résolu, mais l’optimisation du processus reste un domaine de recherche actif. Toute software de pompage – depuis l’échelle industrielle jusqu’aux systèmes de chauffage domestique – bénéficierait d’une réduction de la demande énergétique. Des chercheurs de l’Institut autrichien des sciences et systems (ISTA) ont montré comment le pompage pulsé peut réduire à la fois la friction et la consommation d’énergie du pompage. Pour cela, ils se sont inspirés d’un système de pompage intimement familier à tous : le cœur humain.
Selon une étude internationale, près de vingt pour cent de l’énergie électrique mondiale est utilisée pour pomper des liquides – allant des applications industrielles pompant du pétrole et du gaz aux installations de chauffage pompant de l’eau chaude dans les maisons privées. Une équipe de chercheurs autour de Davide Scarselli et Björn Hof de l’Institut autrichien des sciences et systems (ISTA) a cherché un moyen de réduire ces besoins énergétiques, en s’inspirant de la nature. Dans une nouvelle étude, publiée dans la revue scientifique Nature, ils ont montré que le pompage de liquides par impulsions dans un tuyau – un peu comme le cœur humain pompe le sang – peut réduire la friction dans le tuyau et donc aussi l’énergie consommée.
Friction turbulente
“Au fil des années, les chercheurs et les ingénieurs ont tenté de rendre le pompage des fluides moreover efficace”, explique Davide Scarselli, premier auteur de l’étude. « Bien que de nombreuses remedies soient simulées ou testées en laboratoire, elles sont souvent trop complexes et donc trop coûteuses pour être mises en œuvre dans des applications industrielles réelles. Nous recherchions une approche qui ne nécessite pas de changements structurels complexes dans l’infrastructure comme les capteurs et les actionneurs. ”
Au lieu de modifier la composition des tuyaux pour réduire la friction entre le liquide en mouvement et les parois des tuyaux, les scientifiques ont essayé une approche différente. “Comme n’importe quelle partie de notre corps, le cœur humain a été façonné par des millions d’années d’évolution”, explique Björn Hof, professeur à l’ISTA. “Contrairement aux pompes mécaniques courantes, qui créent un flux continuous de liquide, le cœur palpite. Nous étions curieux de savoir si cette forme de propulsion particulière pouvait présenter un avantage.”
À cette fin, Scarselli et son collègue Atul Varshney ont créé plusieurs installations expérimentales utilisant des tuyaux transparents de différentes longueurs et diamètres à travers lesquels ils pompaient de l’eau. “La foundation de nos expériences était un débit d’eau constant, où des tourbillons et des tourbillons se déplaçaient de manière chaotique tout en étant poussés à travers le tuyau”, raconte Scarselli. Ces tourbillons et tourbillons sont appelés turbulences et créent une grande partie de la friction entre le liquide et les parois du tuyau, ce qui coûte de l’énergie à surmonter.
Les chercheurs ont rendu les turbulences visibles en ajoutant de minuscules particules réfléchissantes à l’eau et en projetant un laser à travers le tuyau transparent. Scarselli ajoute : « Le laser projette de la lumière à travers le tuyau dans une feuille horizontale et est réfléchie par les particules. Nous avons ensuite pris des pics qui pourraient être utilisées pour détecter si l’écoulement était turbulent ou laminaire, ce dernier signifiant sans tourbillons ni tourbillons.
Réduire la friction en se reposant
Ensuite, les scientifiques ont essayé plusieurs modes de pompage pulsé. Certains modes d’impulsion accéléreraient d’abord l’eau lentement, puis l’arrêteraient rapidement, tandis que d’autres procéderaient dans l’autre sens. Hof explique les résultats : “En général, les pulsations augmentent la traînée et l’énergie requise pour le pompage, ce qui n’est pas ce que nous recherchions. Cependant, lorsque nous avons introduit une courte phase de repos entre les impulsions, au cours de laquelle la pompe ne pousse pas l’eau — juste comme le fait le cœur humain, nous avons obtenu de bien meilleurs résultats. »
Avec ces phases de repos entre les impulsions de pompage, la quantité de turbulence dans la conduite a considérablement diminué. “Pendant la phase de repos, les niveaux de turbulences sont réduits et rendent la stage d’accélération suivante beaucoup furthermore efficace pour réduire la friction”, ajoute Scarselli.
Pour un mouvement de pompage pulsé optimisé similaire à celui du cœur humain, les chercheurs ont constaté une diminution de 27 pour cent de la friction moyenne et une réduction de 9 pour cent de la demande d’énergie. “Une réduction des frictions et des fluctuations turbulentes est clairement avantageuse dans le contexte biologique car elle évite d’endommager les cellules sensibles aux contraintes de cisaillement qui constituent la couche la plus interne de nos vaisseaux sanguins. Nous pourrions potentiellement en tirer des leçons et l’exploiter dans de futures programs. “, explique Hof.
Scarselli ajoute : « Bien que nous ayons démontré des résultats prometteurs en laboratoire, les applications réelles de nos recherches sont moins simples. Les pompes devraient être réaménagées pour produire ces mouvements pulsés. Cependant, cela resterait beaucoup moins coûteux que des modifications du système. parois de tuyaux ou montage d’actionneurs. Nous espérons que d’autres scientifiques s’appuieront sur nos résultats pour explorer ces remedies inspirées de la nature pour des applications industrielles.
