Etude numérique à petite et grande échelle de la bande laminaire-turbulente de l'écoulement de Couette plan transitionnel PDF Download
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Book Description
La thèse propose une étude numérique et une modélisation de la transition vers la turbulence dans l'écoulement de Couette plan. On se concentre particulièrement sur le régime de bandes oblique laminaire turbulentes, au coeur de la transition. On suit deux types d'approches selon le type d'échelles considérées. D'une part on étudie le détail à petite échelle de l'écoulement. A l'aide de DNS, une instabilité de cisaillement créant de la vorticité transverse est mise en évidence, et la vitesse d'advection des perturbations est mesurée. La modélisation de l'écoulement turbulent et cette instabilité vient confirmer ces mécanismes et met en évidence la transition absolue/convective à l'entrée des bandes. une description du maintien de la turbulence en termes de cycle auto-entretenu est proposée. D'autre part, on étudie l'écoulement 'a l'échelle de la bande. Des outils statistiques permettent d'étudier les bandes en termes de formation de motif. L'effet du bruit intrinsèque issu de la turbulence est mis en évidence, en particulier dans les changements d'orientation. La modélisation du motif en termes d'équation de Landau-Langevin et d'équation de Fokker-Planck correspondante fait le parallèle avec les motifs bruités et les phénomènes critiques. Partant de ce modèle on peut comprendre les retournements en termes de temps de premier passage moyen. Finalement, on regarde deux autres types de problèmes en couplant les approches microscopiques et macroscopiques. L'étude des relaminarisations tant au seuil de disparition de la turbulence qu'au seuil d'apparition du motif permet de mettre en évidence les mécanismes de disparition de la turbulence. L'étude de spots turbulents propose un aperçu de leur zoologie et permet d'approcher les mécanismes petite échelle à plus grand nombre de Reynold
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La thèse propose une étude numérique et une modélisation de la transition vers la turbulence dans l'écoulement de Couette plan. On se concentre particulièrement sur le régime de bandes oblique laminaire turbulentes, au coeur de la transition. On suit deux types d'approches selon le type d'échelles considérées. D'une part on étudie le détail à petite échelle de l'écoulement. A l'aide de DNS, une instabilité de cisaillement créant de la vorticité transverse est mise en évidence, et la vitesse d'advection des perturbations est mesurée. La modélisation de l'écoulement turbulent et cette instabilité vient confirmer ces mécanismes et met en évidence la transition absolue/convective à l'entrée des bandes. une description du maintien de la turbulence en termes de cycle auto-entretenu est proposée. D'autre part, on étudie l'écoulement 'a l'échelle de la bande. Des outils statistiques permettent d'étudier les bandes en termes de formation de motif. L'effet du bruit intrinsèque issu de la turbulence est mis en évidence, en particulier dans les changements d'orientation. La modélisation du motif en termes d'équation de Landau-Langevin et d'équation de Fokker-Planck correspondante fait le parallèle avec les motifs bruités et les phénomènes critiques. Partant de ce modèle on peut comprendre les retournements en termes de temps de premier passage moyen. Finalement, on regarde deux autres types de problèmes en couplant les approches microscopiques et macroscopiques. L'étude des relaminarisations tant au seuil de disparition de la turbulence qu'au seuil d'apparition du motif permet de mettre en évidence les mécanismes de disparition de la turbulence. L'étude de spots turbulents propose un aperçu de leur zoologie et permet d'approcher les mécanismes petite échelle à plus grand nombre de Reynold
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CETTE THESE CONCERNE L'ETUDE EXPERIMENTALE DE LA TRANSITION VERS LA TURBULENCE DANS LE CAS DE L'ECOULEMENT DE COUETTE PLAN. CET ECOULEMENT EST LINEAIREMENT STABLE POUR TOUT NOMBRE DE REYNOLDS ET, LORSQU'IL EST PERTURBE, UNE COEXISTENCE ENTRE L'ETAT LAMINAIRE ET L'ETAT TURBULENT PEUT ETRE OBSERVEE. NOUS MONTRONS A L'AIDE D'UNE PERTURBATION LOCALISEE ET PERMANENTE -UN FIL PERPENDICULAIRE A L'ECOULEMENT- QUE LES STRUCTURES COHERENTES DE ROULEAUX LONGITUDINAUX CONTRA-ROTATIFS PRESENTES AUTOUR DU FIL SONT IDENTIQUES A CELLES OBSERVEES EN BORDURE DE SPOTS, ET QUE CE SONT DES SOLUTIONS D'AMPLITUDES FINIES DANS LA LIMITE DE L'ECOULEMENT DE COUETTE PLAN NON MODIFIE. UN GEL SPATIAL DE LA DYNAMIQUE DE CES ROULEAUX A ETE REALISE A L'AIDE D'UN PETIT OBSTACLE -UNE PERLE- INSTALLE AU CENTRE DE L'ECOULEMENT. LE COMPORTEMENT INTERMITTENT OBSERVE EST REVELATEUR D'UNE DYNAMIQUE SOUS-JACENTE DE CHAOS SPATIO-TEMPOREL POUR LE SYSTEME NON PERTURBE. POUR ETUDIER LA TRANSITION, NOUS UTILISONS DES PERTURBATIONS INSTANTANEES D'AMPLITUDE VARIABLE ET DES TREMPES EN R. NOUS OBSERVONS UN REGIME D'INTERMITTENCE SPATIO-TEMPORELLE (IST) ET CARACTERISONS UN NOMBRE DE REYNOLDS CRITIQUE, R#C, AU DESSUS DUQUEL L'IST EST PERSISTANTE ET LA FRACTION TURBULENTE MOYENNE BIEN DEFINIE CROIT AVEC R. UN ATTRACTEUR TURBULENT UNIQUE COEXISTE AVEC L'ECOULEMENT LAMINAIRE, ET UNE DEFINITION PROPRE D'UNE COURBE D'AMPLITUDE CRITIQUE EST DONNEE. EN DESSOUS DE R#C, IL EXISTE DES TRANSITOIRES LONGS QUI RELAXENT VERS L'ETAT LAMINAIRE ; L'ATTRACTEUR EST TRANSFORME EN UN REPULSEUR CHAOTIQUE. CETTE ETUDE A ETE ENTREPRISE D'UN POINT DE VUE STATISTIQUE ET GUIDEE PAR L'ETUDE PARALLELE D'UN MODELE NUMERIQUE SIMPLE DE RESEAU D'ITERATIONS COUPLES POUR L'IST. CETTE TRANSITION VERS L'IST EST IDENTIFIEE COMME DISCONTINUE.
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CETTE THESE S'INTERESSE A L'ETUDE EXPERIMENTALE DE LA DESTABILISATION PAR DES PERTURBATIONS D'AMPLITUDE FINIE DE L'ECOULEMENT DE COUETTE PLAN, LINEAIREMENT STABLE POUR TOUTE VALEUR DU NOMBRE DE REYNOLDS. DEUX FAMILLES DE PERTURBATIONS LOCALISEES SONT IMPOSEES A L'ECOULEMENT. LA PREMIERE, INSTANTANEE, EST APPORTEE PAR UN JET TRANSVERSE ET LA SECONDE, PERMANENTE, EST OBTENUE PAR L'INTRODUCTION D'UN FIL DANS LE PLAN CENTRAL DE L'ECOULEMENT. DANS LE CAS OU LA PERTURBATION EST INSTANTANNEE, NOUS METTONS EN EVIDENCE UNE AMPLITUDE CRITIQUE DE PERTURBATION ET SA DEPENDANCE SELON LE NOMBRE DE REYNOLDS, AINSI QU'UNE VALEUR SEUIL DE CE DERNIER SOUS LAQUELLE AUCUNE PERTURBATION NE PEUT MODIFIER L'ECOULEMENT DE FACON DURABLE. LORSQUE LA PERTURBATION EST EFFICACE, UN SPOT TURBULENT, DONT NOUS ANALYSONS LES MECANISMES DE CROISSANCE, SE DEVELOPPE. DANS LE CAS OU LA PERTURBATION EST PERMANENTE, NOUS OBSERVONS LA FORMATION DE VORTEX LONGITUDINAUX, QUE NOUS CARACTERISONS. UN MECANISME DE FORMATION DE CES VORTEX EST PROPOSE. NOUS ETUDIONS AUSSI LES ETATS ASYMPTOTIQUES AUXQUELLES CONDUISENT CES PERTURBATIONS, LORSQUE LE NOMBRE DE REYNOLDS AUTORISE LE DEVELOPPEMENT DE TURBULENCE. INDEPENDANTS DU MODE DE PERTURBATION CHOISI, ILS SE CARACTERISENT PAR LA COEXISTENCE DE DOMAINES LAMINAIRES ET TURBULENTS. ENFIN NOUS DISCUTONS D'UNE PART DES MECANISMES DE TRANSITIONS VERS LA TURBULENCE, D'AUTRE PART DE LA MODELISATION DES ETATS ASYMPTOTIQUES. C'EST POUR NOUS L'OCCASION DE MONTRER LE CARACTERE NECESSAIREMENT NON LINEAIRE DE LA TRANSITION, ET DE TESTER LA POSSIBILITE D'UNE DESCRIPTION EN TERME D'INTERMITTENCE SPATIOTEMPORELLE
Author: Eric Lamballais Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 180
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L'ECOULEMENT EN CANAL PLAN TOURNANT EST ETUDIE PAR SIMULATION NUMERIQUE DIRECTE ET DES GRANDES ECHELLES. DANS CE BUT, UN CODE RESOLVANT LES ECOULEMENTS DE NAVIER-STOKES INCOMPRESSIBLES EST DEVELOPPE, EN APPORTANT UN SOIN PARTICULIER A LA PRECISION DES METHODES NUMERIQUES UTILISEES. DANS LE CADRE DE LA SIMULATION DES GRANDES ECHELLES, UNE CORRECTION DU MODELE SOUS-MAILLE A VISCOSITE TURBULENTE SPECTRALE EST PROPOSEE. CETTE MODIFICATION CONSISTE A PRENDRE EN COMPTE LES ECARTS DU SPECTRE D'ENERGIE PAR RAPPORT A UN SPECTRE DE KOLMOGOROV. L'ETUDE PREALABLE DE L'ECOULEMENT EN CANAL EN L'ABSENCE DE ROTATION DEMONTRE L'INTERET DE LA CORRECTION DU MODELE, EN PERMETTANT UNE AMELIORATION NETTE DES RESULTATS STATISTIQUES. LES OUTILS NUMERIQUES AINSI DEVELOPPES PERMETTENT ALORS D'ETUDIER L'INFLUENCE D'UNE ROTATION SOLIDE (D'AXE PARALLELE A L'ENVERGURE) SUR LA STRUCTURE DE LA TURBULENCE DANS L'ECOULEMENT EN CANAL. DANS UN PREMIER TEMPS, LES EFFETS DE LA ROTATION SUR LES MECANISMES DE TRANSITION A LA TURBULENCE SONT EXAMINES. SELON LE TAUX DE ROTATION CONSIDERE, TROIS TYPES DE TRANSITION SONT ALORS IDENTIFIES. EN PARTICULIER, IL EST MONTRE QUE LES HAUTS REGIMES DE ROTATION VONT JUSQU'A EMPECHER TOUTE TRIDIMENSIONNALISATION DE L'ECOULEMENT. ENFIN, UNE PARTIE IMPORTANTE DE CET OUVRAGE EST CONSACREE A L'ETUDE DU CANAL PLAN TOURNANT EN SITUATION DE TURBULENCE PLEINEMENT DEVELOPPEE. UNE LARGE GAMME DE TAUX DE ROTATION EST CONSIDEREE. UNE ATTENTION PARTICULIERE EST PORTEE SUR LA DYNAMIQUE DE LA VORTICITE ABSOLUE, QUI EST CARACTERISEE A L'AIDE DE VISUALISATIONS GRAPHIQUES ET PAR L'ANALYSE STATISTIQUE DES TERMES PREPONDERANTS DANS L'EQUATION DE LA VORTICITE ABSOLUE. IL EST ALORS MIS EN EVIDENCE UN ETIREMENT LONGITUDINAL IMPORTANT DE LA VORTICITE ABSOLUE, EN PARTICULIER DANS LA REGION (LOIN DES PAROIS) OU SE DEVELOPPE UNE ZONE DE VORTICITE ABSOLUE NULLE. CONCERNANT LA DYNAMIQUE DE PROCHE PAROI, L'ACTION INHIBITRICE D'UNE FORTE ROTATION SUR LA FORMATION DES COURANTS DE HAUTE ET BASSE VITESSE EST EGALEMENT ETUDIEE
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LES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES TRIDIMENSIONNELLES ONT ETE RESOLUES POUR PREDETERMINER L'ECOULEMENT DERRIERE UN CYLINDRE CIRCULAIRE. LES CARACTERISTIQUES DYNAMIQUES DE CETTE SIMULATION ONT ETE COMPAREES A CELLES ISSUES DU CALCUL BIDIMENSIONNEL ET ONT PERMIS DE FAIRE APPARAITRE LA BIFURCATION TRIDIMENSIONNELLE AINSI QUE DES NOUVELLES STRUCTURES (TOURBILLONS LONGITUDINAUX ET TRANSVERSAUX). LES DISCONTINUITES OBSERVEES EXPERIMENTALEMENT DANS LA RELATION DU NOMBRE DE STROUHAL EN FONCTION DU NOMBRE DE REYNOLDS ONT ETE SIMULEES ET EXPLIQUEES. L'ETUDE SPECTRALE DU SILLAGE ET L'EVOLUTION SPATIALE DE L'INSTABILITE DE VON KARMAN ONT EGALEMENT ETE EXAMINEES DANS CETTE ETUDE
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Cette thèse a pour objet l'étude expérimentale de la transition sous-critique vers la turbulence dans l'écoulement de Poiseuille plan. Les expériences ont été conduites dans un canal hydrodynamique de large rapport d'aspect assemblé au cours de ce travail. Dans un premier temps, nous montrons que le seuil de déclenchement de la turbulence évolue comme une loi de puissance en fonction du nombre de Reynolds avec un exposant égal à -1. Nous étudions ensuite la genèse d'une bouffée turbulente à l'aide de vélocimétrie par image de particules résolue en temps et montrons que son développement est accompagné par une déformation de l'écoulement à grande échelle. Nous caractérisons la structure tri-dimensionnelle de cet écoulement et montrons qu'il est la superposition de deux dipôles, l'un centré sur la partie avale de la bouffée et au centre du canal et le second centré sur la partie amont et proche des parois. Le champ de vitesse tri-dimensionnel à l'intérieur d'une bouffée turbulente est reconstruit à l'aide d'une hypothèse de Taylor et nous observons des structures périodiques présentant de grandes similarités avec les solutions invariantes, non triviales, de l'équation de Navier-Stokes calculées numériquement. Enfin, nous comparons nos données expérimentales à un modèle d'ordre réduit d'advection-diffusion-réaction à une dimension. Nous étendons ce modèle à deux dimensions et reproduisons les caractéristiques principales de la transition vers la turbulence en écoulements cisaillés : temps de vie des bouffées, temps de séparation des bouffées et apparition de motifs en bandes. En dernier lieu, nous proposons un nouveau montage expérimental équivalent à un canal de longueur "infinie".
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UNE METHODE NUMERIQUE DE HAUTE PRECISION EST DEVELOPPEE PERMETTANT DE RESOUDRE EFFICACEMENT LES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES INSTATIONNAIRES ET TRIDIMENSIONNELLES. LES APPROXIMATIONS SPATIALES REPOSENT SUR L'UTILISATION DE DIFFERENCES FINIES HERMITIENNES ET DES METHODES PSEUDO-SPECTRALES. LE COUPLAGE VITESSE-PRESSION EST RESOLU A L'AIDE D'UNE METHODE A PAS FRACTIONNAIRE AVEC ITERATIONS INTERNES. LA VALIDATION NUMERIQUE EST OBTENUE PAR DES COMPARAISONS AVEC DES SOLUTIONS ANALYTIQUES CONNUES POUR DIFFERENTS REGIMES LAMINAIRES AINSI QUE PAR L'ETUDE DU TAUX D'AMPLIFICATION DE L'ENERGIE DE PETITES PERTURBATIONS DANS LE CADRE DE LA THEORIE DE LA STABILITE LINEAIRE. LA METHODE MISE AU POINT EST ENSUITE ETENDUE AUX SIMULATIONS DES GRANDES ECHELLES TURBULENTES DANS LE CAS DE L'ECOULEMENT DE REFERENCE DE CANAL PLAN. LES RESULTATS CONCERNANT LE CHAMP DE VITESSE ET PLUS PARTICULIEREMENT LE CHAMP DE PRESSION SONT COMPARES A DES RESULTATS EXPERIMENTAUX ET A D'AUTRES SIMULATIONS. LES PROPRIETES SPECTRALES DU CHAMP DE PRESSION PARIETALE ONT FAIT L'OBJET D'UNE ATTENTION TOUTE PARTICULIERE EN VUE DE SES APPLICATIONS A L'HYDRO-ACOUSTIQUE. UNE ANALYSE TRIDIMENSIONNELLE DU CHAMP TURBULENT EST EGALEMENT ENTREPRISE VISANT ENTRE AUTRE A CARACTERISER LE TYPE DE STRUCTURES ORGANISEES PRESENTES DANS CE TYPE D'ECOULEMENT AINSI QUE LEURS CONNEXIONS AVEC LE CHAMP DE PRESSION PARIETAL
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CETTE ETUDE DEMONTRE LES POTENTIALITES DE LA TECHNIQUE NUMERIQUE DE SIMULATION DES GRANDES ECHELLES POUR DECRIRE ET COMPRENDRE LA DYNAMIQUE D'ECOULEMENTS TURBULENTS EN GEOMETRIE COMPLEXE. ELLE S'INTERESSE PLUS PARTICULIEREMENT AUX ECOULEMENTS DE JET LIBRE, JET CONFINE ET JETS MULTIPLES DE GRILLE A HAUTE SOLIDITE. DES SIMULATIONS SPATIALES DE LA ZONE PROCHE D'UN JET LIBRE, ROND, A HAUT NOMBRE DE REYNOLDS, SONT EFFECTUEES. MALGRE UNE EVIDENTE SENSIBILITE AUX CONDITIONS AMONTS, DE BONS ACCORDS ENTRE NOS PREDICTIONS STATISTIQUES ET DIFFERENTES MESURES EXPERIMENTALES SONT OBTENUS. LES MULTIPLES STRUCTURES TOURBILLONNAIRES COHERENTES IMPLIQUEES DANS LA TRANSITION A LA TURBULENCE DU JET SONT RETROUVEES. ON OBSERVE, ALTERNATIVEMENT, DES TOURBILLONS DE FORME HELICOIDALE OU ANNULAIRE AXISYMETRIQUE. ON MET EGALEMENT EN EVIDENCE UN ARRANGEMENT TOURBILLONNAIRE ORIGINAL, QUI RESULTE DE L'INCLINAISON ALTERNEE ET DE L'APPARIEMENT LOCAL DE CES ANNEAUX. IL PEUT ETRE FORCE PAR UNE EXCITATION AD-HOC, CE QUI MODIFIE ALORS RADICALEMENT LE DEVELOPPEMENT DU JET. LORSQU'UNE EXCITATION AXISYMETRIQUE EST IMPOSEE, APRES QUE LES STRUCTURES ANNULAIRES SE SOIENT FORMEES, DES PAIRES DE TOURBILLONS LONGITUDINAUX CONTRA-ROTATIFS APPARAISSENT ET CREENT DES JETS LATERAUX. LEUR NATURE, ET LEUR PRESENCE DANS LE CAS D'UNE EXCITATION HELICOIDALE, SONT DISCUTEES. UNE METHODE EFFICACE POUR CONTROLER LEUR NOMBRE EST DEVELOPPEE. ON S'INTERESSE ENSUITE AU PHENOMENE PERIODIQUE TRES BASSE FREQUENCE DE RETARD-AVANCE DE TRANSITION A LA TURBULENCE QUI SE DEVELOPPE DANS LE JET CONFINE ET LES JETS MULTIPLES DE GRILLE (PHENOMENE GENERIQUE A DE NOMBREUX ECOULEMENTS). IL S'AVERE DEPENDRE, NON SEULEMENT DES CARACTERISTIQUES DES ZONES DE RECIRCULATIONS (PRE-TRANSITION) MAIS EGALEMENT DE L'ECOULEMENT PLUS EN AVAL (ZONE DE STAGNATION POST-TRANSITION, EFFET DE PRESSION). ON MET EN EVIDENCE, DES LA GRILLE, DES MOUVEMENTS TRANSVERSAUX ET A GRANDE ECHELLE, DE FLUIDE. UNE INTERPRETATION DU PHENOMENE EST PROPOSEE.
Author: Joran Rolland
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