Le flux de l'innovation

Le laboratoire d'hydraulique de Georgia Tech étudie la dynamique des fluides environnementaux dans diverses disciplines STEM

Un mince jet d'eau sort d'un lien lâche de tuyau en PVC et pulvérise sur le sol. "Est-ce OK?" demande quelqu'un en désignant la rupture miniature.

Andy Udell, directeur principal des installations de l'École de génie civil et environnemental (CEE), examine le déversement et hausse les épaules. "Non. Mais ça va. Tu es censé avoir de l'eau sur le sol dans le labo d'hydraulique."

Lorsque vous entrez dans le laboratoire d'hydraulique de CEE, niché sur le côté du bâtiment Jesse W. Mason, vous êtes frappé par son immense espace - 14 000 pieds carrés. Les plafonds expansifs encadrent un réseau de tuyaux bleus qui se croisent. À gauche se trouve un réservoir massif, entouré de divers équipements pédagogiques et d'un mur d'anciens artefacts, des bibelots historiques transportés depuis l'espace de laboratoire précédent dans l'ancien bâtiment de génie civil. À droite, la pièce est divisée par des clôtures en fil de fer, créant des zones pour les tableaux blancs, les établis et les canaux, l'un s'étendant sur 14 pieds de large.

Sous l'équipement de recherche et les établis soigneusement construits se trouvent 20 000 gallons d'eau, dont la majeure partie réside dans un puisard couvrant tout le laboratoire. L'eau s'écoule dans les expériences à travers les tuyaux aériens et se déverse dans une cache souterraine qui est reliée au réservoir bleu dominant les rouages ​​​​du laboratoire. Une plate-forme de sol en béton et des lignes de plaques d'acier séparent le laboratoire de l'eau.

Udell a maintenu le laboratoire d'hydraulique depuis 1998, en plus de sept autres espaces autour du campus.

"Le Georgia Tech Hydraulics Lab est célèbre pour les recherches historiques historiques qui ont été effectuées ici au fil des ans", a déclaré Udell. "Il y en a plusieurs comme ça à travers le pays, mais c'est l'une des installations les mieux équipées de ce genre."

Le bâtiment Mason a été construit en 1968 après que le CEE ait dépassé ses installations précédentes dans l'ancien bâtiment de génie civil surplombant Freshman Hill. Georgia Tech avait besoin d'un espace de laboratoire dédié à la recherche sur la dynamique des fluides environnementaux, et c'est pourquoi le laboratoire d'hydraulique a été construit. Bien que le laboratoire se concentre principalement sur les questions environnementales, il s'agit d'un espace interdisciplinaire. Les étudiants et les professeurs de génie mécanique, de biologie et de nombreuses autres écoles du campus viennent étudier et participer aux recherches à multiples facettes de l'établissement.

L'une des premières choses que les étudiants et les professeurs voient lorsqu'ils entrent dans le laboratoire est son mur d'artefacts. Vers la gauche se trouve un vieux multimètre vert avec de nombreux cadrans et boutons. Une vue en coupe latérale d'une turbine Francis verticale se trouve sur une étagère. Il a été utilisé pour des expériences axées sur l'impact des jets.

Tous les artefacts sont enfermés dans des présentoirs en acajou d'origine, construits par l'un des coordonnateurs de laboratoire dans l'ancien bâtiment de génie civil. Avec son exposition proéminente d'artefacts technologiques, le laboratoire se positionne dans la riche histoire de recherche et d'innovation de Georgia Tech.

Le puisard souterrain s'étend sur le périmètre du laboratoire et recueille l'eau une fois qu'elle quitte les canaux

La principale caractéristique du laboratoire d'hydraulique est son approvisionnement régulier en eau. La dynamique des fluides est principalement axée sur l'écoulement des liquides et des gaz, qui peut être modélisé à l'aide de l'écoulement de l'eau. L'objectif du laboratoire est de limiter les déchets en utilisant et en recyclant l'eau le plus efficacement possible.

L'eau utilisée dans les expériences provient du réservoir supérieur, qui est relié à chaque expérience par des tuyaux. Lorsque le réservoir est activé, le débit d'eau peut atteindre jusqu'à 9 000 gallons par minute (le même que 3 000 toilettes qui coulent à la fois), une caractéristique particulièrement utile pour certains des grands modèles de rivière utilisés dans la recherche environnementale financée par des subventions dans l'installation.

Après avoir traversé l'équipement, l'eau est recyclée dans le puisard. Il est éventuellement dirigé d'une pompe vers le réservoir pour être réutilisé.

Les sept canaux, canaux profonds et étroits, sont les principaux équipements du laboratoire. Ils sont construits à l'aide de vitres en métal et en plastique transparent, qui montrent le mouvement de l'eau lorsqu'elle s'écoule à travers l'appareil. Leurs tailles varient de 15 pieds de long à 80 pieds de long, selon l'expérience.

Par exemple, un canal de taille moyenne est actuellement rempli de roches et de sédiments. Il est utilisé pour certaines des expériences de modèle à plus grande échelle et contient un modèle d'une structure de déversoir dans le district de gestion de l'eau du sud de la Floride. Le déversoir a été conçu pour contrôler le déversement d'eau s'écoulant dans le lit d'une rivière voisine.

En raison de plans défectueux, cependant, le district a accordé une subvention de recherche à Terry Sturm, professeur émérite du CEE, pour réévaluer la conception du déversoir. Le laboratoire de Sturm a construit un modèle basé sur des données historiques et a utilisé le canal pour reproduire les problèmes auxquels le district était confronté. Après avoir exécuté des simulations avec différentes conditions d'amont et d'aval, l'équipe de Georgia Tech a fourni au district des solutions potentielles pour résoudre leurs problèmes de débordement d'eau.

Plusieurs autres projets plus anciens de Sturm sont toujours installés autour du laboratoire d'hydraulique. Le plus grand canal du laboratoire - 14 pieds de large et 80 pieds de long - contient toujours les restes d'un modèle de site de pont de Macon issu des recherches du professeur.

Le réservoir supérieur peut stocker 20 000 gallons d'eau, la distribuant à une vitesse maximale de 9 000 gallons par minute.

Un canal de laboratoire contenant les restes d'un modèle de site de pont de Macon

Ce canal contient un modèle d'une structure de déversoir dans le district de gestion de l'eau du sud de la Floride

Une grande partie des recherches actuelles du laboratoire d'hydraulique se déroule sur le côté droit de la vaste installation, derrière des couloirs grillagés séparant différents groupes de laboratoire. L'un appartient à l'équipe du professeur adjoint Chris Lai. Il étudie la dynamique des fluides thermiques de la fonte des glaces glaciaires. Selon Lai, environ 60% de l'élévation du niveau de la mer observée au cours des deux dernières décennies provient de la fonte des glaces polaires. Pour prédire avec précision les futurs niveaux mondiaux, le laboratoire vise d'abord à comprendre la manière unique dont la glace glaciaire d'eau douce interagit avec l'eau salée de l'océan lors de sa fonte en simulant l'environnement polaire actuel et en mesurant le taux de fonte.

L'installation du laboratoire comprend un grand congélateur pour créer de la glace glaciaire simulée, un récipient transparent pour mener les expériences et une salle avec un laser pulsé à grande vitesse qui est utilisé pour mesurer les vitesses de fluide de l'eau fondue, donc les taux de fonte, via vélocimétrie par images de particules. L'espace est entouré de murs de panneaux d'aluminium blancs, recouverts de haut en bas de calculs au marqueur effaçable à sec, qui sont principalement liés aux détails des expériences.

Le laboratoire de Lai utilise également l'un des canaux de taille moyenne pour simuler l'écoulement du vent à travers une forêt avec des applications pour prédire des scénarios d'incendie de forêt. Cela peut aider à déterminer la vitesse à laquelle le feu se propage en fonction de la vitesse du vent et des différentes densités de feuillage. Pour modéliser avec précision un cadre forestier, l'équipe a imprimé des modèles d'arbres en 3D avec des ramifications fractales à trois volets pour agir comme des branches et simuler des canopées d'arbres.

Étant donné que l'air et l'eau se déplacent de la même manière, les mesures du débit d'eau à travers la forêt modèle peuvent prédire avec précision le mouvement de l'air à travers une vraie forêt lors d'un incendie à grande échelle. L'équipe utilise la vélocimétrie par images de particules pour mesurer la vitesse du fluide à différents endroits de la forêt. Lai souligne l'importance d'étudier les flux à travers différentes parties de la forêt plutôt que de considérer la forêt comme un tout immuable.

"Notre expérience examine le débit au niveau supérieur de la forêt, dans la canopée, et le compare au débit au niveau du sol", a déclaré Lai. "Ce sont les nuances que vous devez étudier avant de passer à des questions plus importantes, telles que la vitesse à laquelle le feu se propage globalement ou la quantité de dioxyde de carbone qui sera libérée dans la canopée forestière."

Le laboratoire de Lai utilise un canal pour sa simulation d'incendie de forêt

Les canaux et les lasers ne sont pas les seuls équipements de recherche utilisés en laboratoire. Angelica Connor, assistante de recherche diplômée dans le laboratoire du président de l'école CEE Don Webster, utilise une configuration d'imagerie 3D pour observer les champs de mouvement et d'écoulement autour du zooplancton en nage libre dans l'eau de l'océan.

Connor utilise une petite pièce climatisée à côté de l'espace principal du laboratoire d'hydraulique pour créer son appareil d'imagerie - des caméras suspendues à différents angles, toutes dirigées vers un petit réservoir hexagonal contenant le zooplancton. Cette configuration peut prendre une série d'images 2D sous différents angles qui permettent à Connor de calculer le mouvement 3D des particules d'eau et du zooplancton sur une certaine période de temps. Elle utilise également un laser haute puissance pour les mesures de vélocimétrie par images de particules, et elle peut créer des graphiques visualisant des données telles que la vitesse de nage du zooplancton et les champs d'écoulement qui se forment autour d'eux.

Connor a récemment expérimenté de minuscules robots de zooplancton qui peuvent se déplacer de la même manière que les créatures sous-marines en utilisant des champs magnétiques installés autour du réservoir d'observation. Bien qu'elle étudie à la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, Connor a utilisé sa compréhension des machines pour créer sa configuration d'imagerie 3D et le robot zooplancton.

Le laboratoire principal de Webster, situé à l'extrême gauche du laboratoire d'hydraulique, étudie également les champs d'écoulement du zooplancton 2D et les interactions copépodes-turbulence à l'aide d'un vortex de Berg.

Appareil photo 3D de Connor

Le laboratoire n'est pas seulement utilisé pour la recherche. Une grande partie du côté gauche de l'établissement se concentre sur l'enseignement de premier cycle par le biais du laboratoire d'enseignement de premier cycle Donovan du CEE. Les cours CEE de niveau supérieur comprennent des instructions sur différents aspects de l'écoulement des fluides à travers des démonstrations telles que des expériences d'huile rouge et de saut hydraulique. Les élèves peuvent utiliser divers appareils de mesure comme les compteurs à venturi et à orifice pour mesurer le débit.

"Il y a beaucoup de recherches en cours dans le laboratoire non seulement pour faire progresser les connaissances, mais aussi pour faire progresser les techniques d'instruction et d'enseignement", a déclaré le professeur Hermann Fritz. Ses recherches sur les tsunamis et autres catastrophes naturelles se déroulent principalement dans le bassin des vagues de tsunami de l'infrastructure de recherche en ingénierie des risques naturels (NHERI) de l'Oregon State University, mais il enseigne également CEE 4200, Génie hydraulique, qui comporte une composante de laboratoire obligatoire dans le laboratoire d'hydraulique. .

Les étudiants de premier cycle découvrent l'espace du laboratoire d'hydraulique dans des classes telles que CEE 4200

Fritz s'est efforcé d'intégrer les nouvelles technologies dans les cours de laboratoire du CEE. Récemment, il a mis à jour les techniques de mesure utilisées dans la démonstration de l'expérience de saut hydraulique, passant de méthodes plus classiques à une version plus récente et à faible coût de la vélocimétrie par images de particules. Au lieu d'utiliser des lasers, Fritz utilise une feuille de lumière à fibre optique pour éclairer les bulles dans l'eau et capturer la vitesse d'écoulement dans différents emplacements du canal.

"Il est toujours nécessaire de connaître les méthodes de mesure classiques lors du travail sur le terrain, mais il est utile pour les étudiants d'avoir un aperçu des mesures spatiales et temporelles ou de la vitesse résolue du débit d'eau, ce qu'ils n'auraient normalement pas l'occasion de faire", a déclaré Fritz. .

Calculs de Lai et Udell pour une mise à niveau d'un bassin en eau peu profonde