Généralement dans le corps, l’écoulement sanguin est laminaire. Cependant, dans des conditions de débit élevé, notamment dans l’aorte ascendante, l’écoulement laminaire peut être perturbé et devenir turbulent. Dans ce cas, le sang ne s’écoule pas de manière linéaire et régulière dans les couches adjacentes, mais l’écoulement peut être décrit comme chaotique. L’écoulement turbulent se produit également dans les grandes artères aux points de ramification, dans les artères malades et rétrécies (sténosées ou partiellement obstruées) (voir la figure ci-dessous), et à travers les valves cardiaques sténosées.
La turbulence augmente l’énergie nécessaire pour entraîner l’écoulement du sang, car la turbulence augmente la perte d’énergie sous forme de friction, ce qui génère de la chaleur. Lorsque l’on trace une relation pression-débit (voir figure à droite), la turbulence augmente la pression de perfusion nécessaire pour entraîner un débit donné. Alternativement, à une pression de perfusion donnée, la turbulence entraîne une diminution du débit.
La turbulence ne commence pas à se produire avant que la vitesse de l’écoulement devienne suffisamment élevée pour que les lamines d’écoulement se brisent. Par conséquent, lorsque la vitesse d’écoulement du sang augmente dans un vaisseau sanguin ou à travers une valve cardiaque, il n’y a pas une augmentation progressive de la turbulence. Au contraire, les turbulences apparaissent lorsqu’un nombre de Reynolds (Re) critique est dépassé. Le nombre de Reynolds est un moyen de prédire, dans des conditions idéales, quand la turbulence se produira. L’équation du nombre de Reynolds est :
Où V = vitesse moyenne, D = diamètre du vaisseau, ρ = densité du sang, et η = viscosité du sang
Comme on peut le voir dans cette équation, Re augmente lorsque la vitesse augmente, et diminue lorsque la viscosité augmente. Par conséquent, des vitesses élevées et une faible viscosité du sang (comme cela se produit en cas d’anémie due à une réduction de l’hématocrite) sont plus susceptibles de provoquer des turbulences. Une augmentation du diamètre sans changement de la vitesse augmente également Re et la probabilité de turbulence ; cependant, la vitesse dans les vaisseaux diminue généralement de façon disproportionnée lorsque le diamètre augmente. La raison en est que le débit (F) est égal au produit de la vitesse moyenne (V) par l’aire de la section transversale (A), et que l’aire est proportionnelle au carré du rayon ; par conséquent, la vitesse à débit constant est inversement proportionnelle au carré du rayon (ou du diamètre). Par exemple, si le rayon (ou le diamètre) est doublé, la vitesse diminue jusqu’à un quart de sa valeur normale, et Re diminue de moitié.
Dans des conditions idéales (par exemple, des vaisseaux sanguins longs, droits et lisses), le Re critique est relativement élevé. Cependant, dans les vaisseaux ramifiés, ou dans les vaisseaux avec des plaques d’athérome faisant saillie dans la lumière, le Re critique est beaucoup plus faible, de sorte qu’il peut y avoir des turbulences même à des vitesses d’écoulement physiologiques normales.
Les turbulences génèrent des ondes sonores (par exemple, des souffles d’éjection, des bruits carotidiens) qui peuvent être entendues avec un stéthoscope. Comme les vitesses plus élevées renforcent la turbulence, les souffles s’intensifient lorsque le débit augmente. Des débits cardiaques élevés, même à travers des valves aortiques anatomiquement normales, peuvent provoquer des souffles physiologiques en raison des turbulences. Cela se produit parfois chez les femmes enceintes qui ont un débit cardiaque élevé et qui peuvent également souffrir d’anémie, ce qui diminue la viscosité du sang. Ces deux facteurs augmentent le nombre de Reynolds, ce qui accroît la probabilité de turbulences.