En physique, qu'est-ce qu'une couche limite?
Une couche limite se produit lorsqu'un fluide s'écoule au-delà d'une surface fixe. Elle est généralement définie comme la région du fluide dont la vitesse est inférieure à 99% de l’écoulement de fluide non entravé. En d’autres termes, c’est la zone d’un fluide en mouvement qui est ralentie de plus de 1% par une surface fixe. La couche limite a été définie pour mieux comprendre la mécanique des fluides en divisant le flux en deux régions affichant un comportement différent. Les régions situées à l'intérieur et à l'extérieur de la couche limite génèrent également des frictions de différentes manières.
Un des premiers problèmes de la recherche en aérodynamique consistait à résoudre les équations complexes de Navier-Stokes, censées régir l’écoulement du fluide. Il existe de nombreux cas où les solutions aux équations de Navier-Stokes ne sont pas connues. Il a toutefois été remarqué que l'écoulement de fluide présentait deux modes de comportement généraux: laminaire et turbulent. Le flux laminaire est un flux régulier et prévisible, comme celui d’une balle qui tombe à travers le miel. Le flux turbulent est aléatoire et violent, comme celui qui sort d'un tuyau d'incendie.
La couche limite sépare ces deux zones d'écoulement de fluide. À l'intérieur de la couche limite, le flux est principalement laminaire. Dans cette région, le comportement de l'écoulement est dominé par des contraintes visqueuses. La contrainte visqueuse est directement proportionnelle à la vitesse d'un objet qui passe; un fluide très visqueux, comme le miel, impose beaucoup de frottement aux objets qui le traversent rapidement. L'écoulement laminaire est caractérisé par un fluide circulant dans des lignes parallèles sans irrégularités.
En dehors de la couche limite, le flux de fluide est principalement turbulent. Un écoulement turbulent, que ce soit dans un liquide ou un gaz, montre un comportement similaire. Les variations chaotiques de la vitesse et de la direction des particules rendent les prévisions précises impossibles avec les connaissances actuelles. L'effet du frottement dans un écoulement turbulent est également différent de l'écoulement laminaire. Le frottement n'est généralement plus proportionnel à la vitesse du fluide dans le régime turbulent.
La raison pour laquelle les balles de golf ont des fossettes est liée à la couche d’air limite. À basse vitesse, comme lors du lancer du poids, une balle de golf parfaitement sphérique ne poserait pas de gros problèmes de friction de l'air. Pendant le vol à grande vitesse, cependant, les balles de golf sphériques auraient une couche limite plus large que les balles alvéolées, ce qui signifierait que plus d'air s'écoule de manière laminaire. Cet écoulement laminaire provoquerait en réalité plus de frottement dans l'air qu'un écoulement turbulent. Les balles de golf alvéolées volent plus loin que leurs homologues sphériques car elles ont une couche limite plus petite et ne subissent pas autant de frottement dans l’air.