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Oct
01

Une tornade réfrigérante : le tube à vortex

Paru dans : Le verre : attention, fragile ! J.M. Courty et E. Kierlik, Pour la Science N°398, (décembre 2010)

Une tornade d’air créée le long d’un tube permet de séparer l’air chaud de l’air froid. Un effet qui reste encore un peu mystérieux.

Un gilet réfrigérant, qui utilise juste de l’air comprimé, pour ouvriers travaillant au chalumeau ? Cela existe. C’est l’une des applications du tube de Ranque-Hilsch, aussi nommé tube à vortex. Il s’agit d’un petit réfrigérateur sans pièce mobile ni échangeur de chaleur, qui fonctionne avec de l’air comprimé à température ambiante. Ce dispositif crée un flux d’air froid et un flux d’air chaud, dont la différence de température peut atteindre 200 °C ! Le tube à vortex a des applications industrielles ; et pourtant, son fonctionnement reste mal compris et semble même violer une loi physique fondamentale.

Un dispositif simple

Cela fait près de 80 ans que le métallurgiste et physicien français Georges Ranque, qui a déposé un brevet en 1932, a inventé un peu par hasard le tube à vortex. Ce dispositif était tellement incroyable qu’à l’époque, les scientifiques et les ingénieurs n’y ont pas cru. Il serait resté dans l’oubli si, après la Seconde Guerre mondiale, l’ingénieur allemand Rudolf Hilsch ne l’avait étudié en détail et amélioré ses performances.

Ce réfrigérateur se présente sous la forme d’un simple tube de longueur 30 à 50 fois supérieure à son diamètre. À l’une de ses extrémités, on injecte de l’air comprimé, à quelques atmosphères, avec une vitesse perpendiculaire à l’axe du cylindre et tangente à sa circonférence (voir la figure 1). Il se crée alors une véritable tornade interne dont la vitesse de rotation atteint un million de tours par minute. À mesure que l’air se détend dans le tube, la pression chute rapidement à une valeur proche de la pression atmosphérique et l’air accélère jusqu’à des vitesses proches de celle du son. L’action de la force centrifuge concentre alors l’écoulement au voisinage des parois du…

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