Voir la source de Nombre de Reynolds

Le '''nombre de Reynolds''' <math>(\mathrm{Re})</math> est un [[Grandeur sans dimension|nombre sans dimension]] utilisé en [[mécanique des fluides]]. Il a été mis en évidence en [[1883]] par [[Osborne Reynolds]]. Il caractérise un écoulement, en particulier la nature de son régime (laminaire, transitoire, turbulent).

== Définition ==
Le nombre de Reynolds représente le rapport entre les forces d'inertie et les forces visqueuses. Ce nombre sans dimension apparaît naturellement en adimensionnant les [[équations de Navier-Stokes]].

On le définit de la manière suivante :

:<math>\mathrm{Re} = \frac{V L}{\nu}</math>

avec :

* <math>V</math>, vitesse caractéristique du fluide [m/s]
* <math>L</math>, dimension caractéristique [m]
* <math>\nu</math>, [[viscosité cinématique]] du fluide [m{{2}}/s]

avec :
<math>\nu = \frac \mu \rho</math>
* <math>\rho</math>, [[masse volumique]] du fluide [kg/m{{3}}]
* <math>\mu</math>, [[viscosité dynamique]] du fluide [Pa&sdot;s ou kg/(m&sdot;s) ou [[pascal seconde|poiseuille]] Pl, ou encore un dixième de poise PO]

d'où la formulation classique :

:<math>\mathrm{Re} = \frac{\rho V L}{\mu}</math>

Les unités sont indiquées à titre purement indicatif, un nombre sans dimension ayant la même valeur dans tout système d'unités cohérent.

Le nombre de Reynolds représente également le rapport (qualitatif) du transfert par convection au transfert par diffusion de la quantité de mouvement.

Il est important de noter que le nombre de Reynolds ne donne qu'un ordre de grandeur. La dimension caractéristique et la vitesse caractéristique qui interviennent dans la formule sont également des ordres de grandeur. Ainsi, pour un fluide circulant dans un tuyau cylindrique de rayon ''R'', on pourra prendre ''L'' = ''R'' (rayon) ou ''L'' = 2''R'' (diamètre) ou toute autre distance de cet ordre de grandeur selon la convention choisie, mais le nombre de Reynolds correspondant restera du même ordre de grandeur.

Quelle que soit la dimension caractéristique (ou longueur de référence) choisie, il est essentiel  de préciser ce choix.

===Approximation rapide du nombre de Reynolds===
Dans l'air (en "atmosphère standard"), une simplification pratique consiste à prendre le nombre de Reynolds comme le produit de <math>70\,000\,s/m^2</math> par la vitesse de l'air en <math>m/s</math> et par la longueur caractéristique choisie en <math>m</math>. Ainsi un [[ballon de football]] de <math>22\,cm</math> propulsé à <math>27,8\,m/s</math> (ou <math>100\,km/h</math>) navigue à un Reynolds de <math>0,22*27,8*70\,000=428\,000</math>. De même, une aile de <math>1\,m</math> de corde volant à <math>40\,m/s</math> (ou <math>144\,km/h</math>) navigue à un Reynolds de <math>1*40*70000=2,8\,Millions</math>.

Dans l'eau, le coefficient <math>70\,000\,s/m^2</math> doit être remplacé par <math>1\,Million\,s/m^2</math>.

=== Essais de modèles ===
[[Fichier:Sous-marin Albacore soufflerie Langley.jpg|thumb|Le sous-marin américain ''Albacore'' dans la soufflerie {{dunité|30|60|pieds}} de [[Centre de recherche Langley|Langley]].]] 
Les essais de maquette de navires ou d'avions devraient être effectués en similitude de Reynolds, ce qui obligerait à compenser la taille réduite du modèle par une vitesse plus élevée que la vitesse au réel. En conditions d'essais, le nombre de Reynolds du modèle réduit est quasiment toujours inférieur, voire très inférieur à celui du réel. Ceci pose de gros problèmes d'extrapolation des résultats au réel et explique pourquoi les souffleries et les bassins de carènes sont des installations de grandes dimensions afin d'autoriser des mesures sur les modèles les plus grands possibles.

Le fait qu'on puisse tester des [[sous-marin]]s dans une soufflerie (comme ci-contre), donc dans un autre fluide (l'air) que leur fluide naturel (l'eau), montre bien à quel point le Reynolds règne en maître sur les écoulements de tous les fluides. Les essais de maquettes de navires doivent de même être effectués en similitude de [[Nombre de Froude|Froude]] pour reproduire au bassin le même système de vague qu'au réel ; le nombre de Reynolds du modèle est alors obligatoirement plus faible qu'au réel.

En [[magnétohydrodynamique]], il est aussi possible de définir un nombre de Reynolds : le [[nombre de Reynolds magnétique]]. Cependant, celui-ci n'est pas plus proche du nombre de Reynolds dans sa définition que d'autres nombres adimensionnés utilisés en hydrodynamique pour quantifier l'importance relative de deux effets, comme le [[nombre de Grashof]].

== Nombre de Reynolds et régimes d'écoulement ==
En fonction des nombres de Reynolds croissants, on distingue quatre régimes principaux : [[écoulement de Stokes|régime de Stokes]], [[écoulement laminaire|régime laminaire]], régime transitoire, [[turbulence|régime turbulent]].

[[écoulement de Stokes|L'écoulement de Stokes]] correspond aux très faibles valeurs du Reynolds (inférieures à 1). Dans ce cas les forces d'inertie liées aux vitesses étant négligeables, les forces visqueuses et les forces de pression s'équilibrent. Cette notion correspond au domaine de la [[microfluidique]] ou de la décantation de petites particules. Pour des valeurs plus élevées du Reynolds, les forces d'inertie entrent en jeu : c'est le domaine de la [[dynamique des fluides]].

Dans ce dernier domaine, on observe d'abord un écoulement laminaire avec des lignes de courant bien identifiées. Dans ce type d'écoulement l'effet de la [[viscosité]] s'atténue au fur et à mesure que l'on s'éloigne des parois, les vitesses du fluide tendant à s'homogénéiser. Il est alors souvent commode de considérer que l'approximation du [[fluide parfait]] (fluide non visqueux justiciable du [[théorème de Bernoulli]]) est suffisante hors des zones proches d'une paroi, zones appelées [[couche limite|couches limites]]. Ces dernières concentrent les effets visqueux qui peuvent y être modélisés sous une forme simplifiée.

À partir d'un certain Reynolds se produit une transition qui fait apparaître des instabilités dues à l'amplification des perturbations. La valeur du Reynolds de transition et la nature des instabilités dépendent essentiellement du type d'écoulement considéré.

Ensuite, les instabilités augmentent au point de donner naissance à un phénomène [[Théorie du chaos|chaotique]] dans lequel il est difficile de voir une organisation : c'est la turbulence.
[[Fichier:CX_SPHERE.png|thumb|Cx de la sphère dans toute la plage de Reynolds possible]]On obtient une bonne représentation de l'importance du Reynolds quand on dresse le graphe du Cx de la sphère dans toute l'étendue possible des Reynolds. Ce Cx varie dans des proportions considérables entre les bas Reynolds (Re < 1, où la sphère se trouve en [[écoulement de Stokes]]<ref>Le fait que le Cx de la sphère atteint des valeurs astronomiques aux très bas Reynolds prouve simplement qu'un tel Cx n'a plus de signification physique dans ce régime (dit de Stokes). Si l'on utilise le Cx de Lamb (ou Cx linéaire) on observe sa constance dans ce régime (la traînée y vaut <math>\vec{F}=-3\pi \mu D \vec{v}</math> et donc le Cx de Lamb <math>3\pi</math> en référence au diamètre <math>D</math>)</ref> ) et la plage de Newton<ref>On nomme ainsi cette plage parce qu'Isaac Newton y fit les premières mesures de Cx de la sphère.</ref> (entre les Reynolds diamétraux {{formatnum:1000}} et {{formatnum:300000}}) où son Cx prend des valeurs proches de 0,5. Au-delà d'un Reynolds critique de {{formatnum:300000}}, se produit ''la [[crise de traînée]] de la sphère'', phénomène qui fut correctement quantifié (mais incompris) en premier par G. Eiffel dans sa soufflerie d'Auteuil<ref>À la grande surprise d'Eiffel et de ses collaborateurs puisque, pour la première fois depuis qu'ils faisaient des mesures dans leur soufflerie, la traînée d'un corps leur apparaissait comme n'étant plus simplement liée au carré de la vitesse. Il semble cependant que la crise de traînée avait été constatée (au moins qualitativement) par Giulio Costanzi de la Brigada Specialisti, à Rome. Notons que dans les pays anglophones, la crise de traînée de la sphère est nommée "Eiffel paradox" (voir [[:en:Drag_crisis|Drag crisis]]).</ref> : le Cx est alors divisé par plus de 5. Ce phénomène est dû à la transition de la [[couche limite]] autour de la sphère depuis l'état laminaire jusqu'à l'état turbulent.
Un tel phénomène de [[crise de traînée]] (phénomène lié essentiellement au Reynolds mais aussi à la rugosité du corps comme le montre le graphe) existe aussi pour les corps 2D (comme les cylindres ou les profils d'ailes<ref>Voir à ce sujet [https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cx_alaire_profils_sym%C3%A9triques_%C3%A0_incidence_nulle_selon_Re_et_%C3%A9paisseur,_Hoerner.png cette courbe].</ref>) et 3D (comme les [[corps de moindre traînée]]).

== Exemples ==
* Dans une conduite à section circulaire, la dimension caractéristique est le diamètre. L'écoulement est laminaire lorsque le nombre de Reynolds est inférieur à une valeur critique pour laquelle se produit une transition assez brutale vers le turbulent. 2400 est la valeur généralement retenue pour cette transition mais, dans des conditions soignées (paroi particulièrement lisse, stabilité de la vitesse), la transition peut se produire pour une valeur plus élevée. On considère souvent que la transition peut se produire entre {{formatnum:2000}} et {{formatnum:3000}}.
* Sur un cylindre à section circulaire placé dans un écoulement, la dimension caractéristique est le diamètre. On obtient un écoulement proprement laminaire qui s'ajuste parfaitement à l'obstacle jusqu'à un nombre de Reynolds de l'ordre de 1 ; un sillage turbulent apparaît à l'aval aux environs de {{formatnum:3000}}. Entre les deux, la transition se fait à travers diverses formes de sillages tourbillonnaires.
* Avec une plaque plane située dans le lit de l'écoulement, la dimension caractéristique est la distance d'un point au bord d'attaque. Ce paramètre permet de décrire l'évolution de la [[couche limite]]. Si le bord d'attaque présente une arête émoussée, la couche limite est turbulente dès le début. Dans le cas d'un bord effilé, la couche limite est laminaire sur une certaine longueur, puis devient turbulente ensuite. Cette laminarité se maintient jusqu'à une distance qui correspond au Reynolds critique de l'ordre de 5{{x10|5}} marquant la transition du type d'écoulement, la zone située au-delà développant une couche limite turbulente.
* Lorsque la plaque plane est remplacée par un [[profil (aérodynamique)|profil]] d'aile, la distribution d'épaisseur le long de la [[Aérodynamique#Les termes de l’aérodynamique de l’aile|corde]] (et le gradient de pression négative associé) de certains profils dits « [[écoulement laminaire|laminaires]] » stabilise la laminarité et permet de reculer le point de transition bien au-delà de 5{{x10|5}} : des valeurs de 7{{x10|6}} sont possibles dans des conditions aérologiques non turbulentes (difficiles à obtenir en soufflerie) sur une surface parfaitement lisse (ailes de [[planeur]]s).
* Un corps profilé comme un fuselage ([[Piaggio P180 Avanti]]) peut avoir une transition reculée jusqu'au Reynolds  50{{x10|6}}, également dans des conditions idéales.

[[Fichier:Reynolds_des_corps_volants,_Lissaman.png|vignette|Nombre de Reynolds des corps volants ou se déplaçant dans l'air]]

On peut aussi dessiner un panorama des Reynolds de tous les corps volants (ou plus généralement se déplaçant dans l'air) en fonction de leur vitesse. Cela donne le graphe à effleurer présenté ci-contre où apparaissent également les longueurs caractéristiques utilisées pour le Reynolds (diagonales bleues).

=== En médecine ===
Les modifications de régime d'écoulement entraînées par la compression d'une artère, en règle générale l'artère humérale, lors de la prise de la [[pression artérielle]] sont responsables d'un bruit (« [[bruits de Korotkoff]] ») et permettent, par l'auscultation de l'artère en aval de la compression, de connaître la pression systolique -apparition du bruit-, et la pression diastolique -disparition du bruit.

=== En hydromécanique ===
{{article connexe|Hydromécanique}}
Dans un circuit ou [[système hydraulique]] ou [[oléohydraulique]] l'écoulement doit toujours être, si possible, [[Écoulement laminaire|laminaire]] avec, comme seule dissipation d'une partie de l'énergie mécanique, sa transformation en chaleur. Au-delà il est en phase dite critique, puis en régime [[Turbulence|turbulent]] qui utilise une partie de l'énergie mécanique pour créer des mouvements de plus en plus désordonnés, le rendement chutant alors considérablement.

Sur un [[schéma hydraulique]] pour calculer les pertes en charges et le rendement d'un système hydraulique, il faut soit ajouter chaque élément pour obtenir le nombre de Reynolds complet, soit utiliser un abaque pour définir les diamètres des tuyauteries, raccords et flexibles hydraulique

== La similitude des fluides ==
Deux écoulements à géométrie équivalente pour lesquels les nombres de Reynolds sont égaux sont dits ''semblables''. 
Pour qu'une expérience de [[modèle réduit]] d'un écoulement donne bien un écoulement semblable (c'est-à-dire identique à changements d'échelles de temps, de distance et de masse près) à l'écoulement en grandeur nature, il faut que :

<math>\mathrm{Re}^\star = \mathrm{Re}\quad\text{et}\quad \frac {p^\star} {\rho^\star {v^\star}^2} = \frac p {\rho v^2}\text{ et si air } \mathrm{ M}^\star=\mathrm{M}</math>

Les valeurs marquées d'un astérisque « * » font référence à l'écoulement dans le modèle réduit et les autres valeurs à l'écoulement en grandeur nature. Ceci est utile pour les expériences sur les modèles réduits en veine liquide ou en tunnel aérodynamique où on récupère les données pour les écoulements en grandeur réelle. Pour les fluides compressibles, les [[nombre de Mach|nombres de Mach]] doivent aussi être égaux pour les deux fluides afin qu'ils puissent être considérés comme équivalents. De manière générale, il faut que les nombres sans dimension caractéristiques de l'écoulement soient identiques dans les deux écoulements.

== Notes et références ==
{{Références}}

== Annexes ==
{{autres projets
|commons=Category:Reynolds number
}}
=== Bibliographie ===
* {{ouvrage|langue=en|titre=Les Formes dans la Nature |titre vo=Patterns in Nature |ref=|volume=|titre volume=|auteur=Peter Smith Stevens|trad=J. Matricon, D. Morello|lieu=|année=1976|publi= 1978|pages=240|format=22 × 27 cm|isbn=2-02-004813-2 |présentation en ligne=|lire en ligne=|partie=|numéro=3|chap=Écoulements|éditeur=[[Éditions du Seuil]]|collection=Science ouverte|passage=59-68|id=|commentaire=Offre une présentation simple et détaillée du nombre de Reynolds et du phénomène de tourbillon.}}

=== Articles connexes ===
{{colonnes|nombre=2|
* [[Grandeur sans dimension]]
* [[Traînée]]
* [[Portance (aérodynamique)]]
* [[Écoulement de Poiseuille]]
* [[Équation de Darcy-Weisbach]]
* [[Nombre de Reynolds magnétique]]
* [[Profil laminaire]]
* [[Analyse dimensionnelle]]
* [[Calcul hydraulique]]
* [[Système hydraulique]]
* [[Oléohydraulique]]
* [[Schéma hydraulique]]
* [[Hydromécanique]]
}}

{{Palette|Grandeurs sans dimension en mécanique des fluides|Mécanique des fluides}}

{{Portail|physique|météorologie|Aéronautique}}

[[Catégorie:Nombre adimensionnel utilisé en mécanique des fluides|Re]]
[[Catégorie:Théorie météorologique]]
[[Catégorie:Aérodynamique appliquée à l'avion]]
[[Catégorie:Hydromécanique]]