canal fermé de forme spéciale conçu pour accélérer des liquides ou des gaz à une vitesse donnée et pour conférer une direction donnée à l’écoulement. Les buses sont également utilisées comme moyen d’obtenir des jets de gaz ou de liquide. La section transversale de la buse peut être rectangulaire (buse bidimensionnelle), circulaire (buse axisymétrique), ou d’une autre forme (buse spatiale).
À l’intérieur d’une buse, la vitesse v du liquide ou du gaz augmente de façon continue dans le sens de l’écoulement depuis une valeur initiale v0 à l’entrée jusqu’à une vitesse maximale v = va à la sortie. En vertu du principe de conservation de l’énergie, lorsque la vitesse v augmente dans une buse, il se produit simultanément une baisse continue de la pression et de la température, qui passent des valeurs initiales p0 et T0 aux valeurs minimales pa et Ta dans la zone de décharge. Ainsi, pour qu’un écoulement se produise dans une buse, une certaine chute de pression est nécessaire, c’est-à-dire que la condition p0 > pa doit être remplie. Lorsque T0 est augmenté, la vitesse dans toutes les sections d’une buse augmente en raison de l’énergie potentielle initiale plus élevée. Tant que la vitesse d’écoulement n’est pas trop élevée, les variations de pression et de température correspondantes dans la buse sont faibles ; par conséquent, la propriété de compressibilité – la capacité d’un liquide ou d’un gaz à subir une variation de volume en réponse à l’application d’une pression ou à un changement de température – ne se manifeste pas, et il est possible de ne pas tenir compte de toute variation de la densité p du milieu en écoulement, c’est-à-dire de considérer la densité comme constante. Dans ces conditions, une buse doit avoir une forme convergente si l’on souhaite une augmentation continue de la vitesse, car en vertu de l’équation de continuité ρvF = const, l’aire F de la section transversale de la buse doit diminuer de manière inversement proportionnelle à l’augmentation de la vitesse. Cependant, avec une augmentation supplémentaire de v, la compressibilité du milieu commence à se manifester, et la densité diminue dans la direction de l’écoulement. Par conséquent, la constance du produit des trois facteurs pvF dans ces nouvelles conditions dépend de la vitesse à laquelle p diminue lorsque v augmente. Lorsque v < a, où a est la vitesse locale de propagation du son dans le milieu en mouvement, la vitesse à laquelle la densité d’un gaz diminue est en retard sur la vitesse à laquelle la vitesse augmente, et donc, afin de fournir une accélération, c’est-à-dire d’augmenter v, F doit être diminué (figure 1) malgré la diminution de la densité (tuyère subsonique). Mais avec l’accélération vers des vitesses v > a, la densité diminue plus rapidement que la vitesse n’augmente ; il devient donc nécessaire dans la partie supersonique d’augmenter la surface F (tuyère supersonique). Ainsi, une tuyère supersonique, qui est également connue sous le nom de tuyère de Laval, possède à la fois une section convergente et une partie divergente (figure 2). La variation de la vitesse à travers la tuyère dépend de la variation de l’aire de la section F avec la longueur.
La pression à la zone de décharge d’une tuyère subsonique est toujours égale à la pression pm du milieu environnant à la sortie (pa = pm). Ces pressions sont égales car tout écart se manifeste par des perturbations qui se propagent à l’intérieur de la tuyère avec une vitesse égale à celle du son et entraînent un réarrangement de l’écoulement qui égalise la pression au niveau de la zone de décharge de la tuyère. Lorsque p0 augmente et que pm reste constant, la vitesse va au niveau de la zone de décharge d’une buse subsonique augmente d’abord, mais après que p0 ait atteint une certaine valeur, la vitesse devient constante et ne change pas lorsque p0 est encore augmenté. Ce phénomène est appelé écoulement de crise dans la tuyère. Avec le début de l’écoulement de crise, la vitesse moyenne de la décharge d’une buse subsonique est égale à la vitesse du son locale (va = a) et est appelée vitesse de décharge critique. La buse subsonique est transformée en buse sonique. Dans ce cas, tous les paramètres du gaz dans la zone de décharge de la buse sont également décrits comme critiques. Pour les buses subsoniques à contour lisse, le rapport de pression critique lors de la décharge d’air et d’autres gaz diatomiques est (P0/pm)cr ≈ 1,9.
Dans une tuyère supersonique, la section la plus étroite est qualifiée de critique. La vitesse relative va/a dans la zone de décharge d’une buse supersonique ne dépend que du rapport entre la surface de décharge Fa et la surface de la section critique Fa et, dans de larges limites, est indépendante des variations de la pression p0 à l’avant de la buse. Par conséquent, en faisant varier la surface de la section critique Fcr à l’aide d’un dispositif mécanique alors que la surface Fa reste inchangée, il est possible de faire varier va/la. Les buses réglables utilisées dans la technologie qui font varier la vitesse de décharge du gaz sont basées sur ce principe. La pression dans la zone de décharge d’une buse supersonique peut être égale à la pression du milieu environnant (pa = pm), et un régime d’écoulement de ce type est appelé écoulement de conception ; lorsque les pressions ne sont pas égales, le régime est appelé écoulement hors conception. Contrairement à une tuyère subsonique, les perturbations de pression lorsque pa± pm, qui se propagent avec la vitesse du son, se trouvent dans l’écoulement supersonique et ne pénètrent pas dans la tuyère supersonique ; la pression pa n’est donc pas égalisée avec pm. Les régimes hors dimensionnement sont caractérisés par la formation d’ondes de raréfaction lorsque pa > pm et d’ondes de choc lorsque pa < pm. Lorsque le flux traverse un système de telles ondes à l’extérieur de la tuyère, la pression devient égale à pm. Lorsque la pression atmosphérique dépasse largement la pression dans la zone de décharge de la tuyère, les ondes de choc peuvent se déplacer dans la tuyère, et l’augmentation continue de la vitesse dans la partie supersonique de la tuyère est alors perturbée. Une chute brutale de la pression et de la température d’un gaz dans une tuyère supersonique peut conduire, en fonction de la composition du milieu en écoulement, à l’apparition de processus physico-chimiques tels que des réactions chimiques, des transformations de phase et des transitions thermodynamiques hors équilibre. Ces processus doivent être pris en compte lors du calcul du débit de gaz dans la tuyère.
Les tuyères sont largement utilisées dans la technologie, par exemple dans les turbines à vapeur et à gaz, les moteurs de fusée, les moteurs à réaction aérobies, les lasers à gaz, les équipements utilisés dans la dynamique des magnétogaz, les souffleries, les bancs d’essai utilisés dans la dynamique des gaz, les dispositifs à réaction et les débitmètres. Elles sont également utilisées pour la création de faisceaux moléculaires, en génie chimique et dans divers types de procédés de dynamitage. La buse doit être conçue pour remplir une fonction technique particulière. Par exemple, les tuyères de soufflerie doivent assurer un flux de gaz uniforme et parallèle dans la zone de décharge, tandis que les tuyères utilisées dans les moteurs de fusée doivent garantir que la quantité de mouvement du flux de gaz dans la zone de décharge soit aussi élevée que possible pour les dimensions données. Ces spécifications techniques et d’autres ont entraîné un développement vigoureux de la théorie des tuyères, qui étudie la présence dans le flux gazeux de particules liquides et solides, ainsi que des processus tels que les réactions chimiques hors équilibre et le transfert d’énergie radiante. Les ordinateurs ont été largement utilisés dans ce travail à la fois pour déterminer la conception des tuyères et pour développer des méthodes expérimentales complexes d’étude des tuyères.