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Des injecteurs de voitures plus efficaces grâce... aux rayons X

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Que se passe-t-il lorsque du carburant et de l'air se mélangent dans l'injecteur d'un moteur ? Cette question, cruciale pour améliorer le rendement d'un moteur et diminuer la pollution associée à la combustion, n'avait pas vraiment de réponse. En utilisant une source de rayons X, des physiciens de l'Argonne National Laboratory y voient maintenant plus clair.

La turbulence observée en rayons X à la sortie d'un injecteur. Ce genre d'image aide les ingénieurs à concevoir des moteurs d'automobiles plus efficaces et plus propres. Crédit : Argonne National Laboratory.

Lorsque l'air et le carburant pénètrent dans un injecteur, le second, un fluide dense, se fragmente en gouttes de plus en plus fines. Comprendre ce processus de fractionnement et de mélange avec l'air est capital pour améliorer un moteur. Sur le plan théorique, ce phénomène est un difficile problème de mécanique des fluides en liaison avec la turbulence. De plus, en raison de la densité même du carburant, il était très difficile d'observer expérimentalement le déroulement du phénomène.

Les techniques d'imagerie habituelles, même celles reposant sur l'emploi de faisceaux laser, se sont révélées inefficaces. De sorte que jusqu'à présent, les chercheurs devaient se fonder sur des extrapolations et des simplifications douteuses, s'appuyant sur les données expérimentales recueillies en fin de processus, loin de la sortie de la tuyère de l'injecteur.

Kamel Fezzaa, un physicien de l'Argonne X-ray Science Division, a entrepris avec ses collègues d'utiliser une nouvelle technique d’imagerie par contraste de phase à l'aide des rayons X très énergétiques produits par le synchrotron du laboratoire Argonne

 
Le synchrotron de l'Argonne's Advanced Photon Source (APS) accélère des électrons presque à la vitesse de la lumière. Il se produit alors l'émission de rayons X très énergétiques que l'on peut utiliser pour obtenir des images fines d'échantillons et d'objets donnés. Crédit : Argonne National Laboratory

Voir les écoulements

Les résultats ont été spectaculaires et sont aujourd'hui publiés dans Nature Physics. L'imagerie par rayons X n'est pas nouvelle et elle est bien connue à l'hôpital par exemple. Toutefois, lorsque que l'on veut vraiment pénétrer à l'intérieur d'objets denses ou mesurer les vitesses d'écoulements dans un fluide ou encore étudier la pulvérisation d'un liquide, comme dans le cas des injecteurs, les sources de rayons X habituelles ne sont pas adaptées.

Dans le cas présent, la résolution nécessaire pour observer les détails ne peut être atteinte qu'à l'aide de rayons X de courtes longueurs d'onde, et donc très énergétiques. De plus, il faut que les faisceaux soient particulièrement intenses. C'est bien ce que l'on arrive à obtenir avec des synchrotrons qui, en exploitant les effets relativistes, permettent de créer des sources mille milliards de fois plus brillantes que dans le domaine médical. En France, le synchrotron qui peut se comparer à celui d' Argonne est le célèbre European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) de Grenoble.

Les chercheurs du laboratoire Argonne imaginent d'autres applications à cette technique. Comme elle permet d'examiner la structure interne des matériaux en mouvement à grandes vitesses, cette technique est idéale pour étudier la formation rapide de bulles dans des liquides, l'hydrodynamique des mélanges de fluides dans les jets (tuyères de fusées ou d'avions par exemple) ainsi que ce qui se passe lors d'un impact ou d'une explosion dans un matériau. Tous des domaines dont les retombées militaires sont évidentes.

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