Non-Newtonian turbulence : viscoelastic fluids and binary mixtures

par Stefano Berti

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Guido Boffetta et de Antonio Celani.

Soutenue en 2006

à École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice) en cotutelle avec Turin .

  • Titre traduit

    Turbulence non-Newtonnienne : fluides viscoélastiques et mélanges binaires


  • Résumé

    This thesis presents a theoretical and numerical study of turbulence in non-Newtonian fluids. The dynamics of these systems can be modelled in terms of transported active fields and constitutes a subject of general interest in complex fluid’s physics. Their peculiar rheological properties make them attractive also for engineering applications. The major part of the work concerns turbulence in dilute polymer solutions, i. E. Viscoelastic fluids. Two issues are considered : the small-scale statistics at moderate values of elasticity in a fully developed turbulence regime ; the destabilization of a laminar flow by means of purely elastic non linearities. The effect of polymers on small-scale turbulence has been studied in a simplified viscoelastic fluid model, in a homogeneous isotropic configuration. The modifications on the turbulent cascade have been addressed, as well as their consequences on small-scale statistics. In the opposite limit of negligible inertial non linearities, polymeric degrees of freedom can destabilize a flow, when the elasticity of the solution is large enough. At growing elasticity, a transition to chaotic, and turbulent, states is observed. The experimental phenomenology has been numerically reproduced and statistical properties have been characterized. Another item considered is that of binary mixtures. Phase separation between two fluids has been investigated in presence of an externally forced velocity field. The competition between thermodynamic forces and local shears has been examined in both active and passive mixtures and the marginal role of Lagrangian chaos in the phenomenon of coarsening arrest has been highlighted.


  • Pas de résumé disponible.


  • Résumé

    Cette thèse présente une étude théorique et numérique de la turbulence dans les fluides non-Newtoniens, dont la dynamique peut être modélisée en termes du transport de champs actifs et c’est un sujet d’intérêt général pour la physique des fluides complexes. Leur rhéologie particulière les rend, en outre, intéressants pour des applications en ingénierie. La plus grande partie du travail regarde les solutions diluées de polymères. Deux aspects sont considérés : la statistique aux petites échelles, pour des élasticités modérées dans un régime de turbulence développée ; la déstabilisation d’un écoulement par non linéarités élastiques. L’effet des polymères sur les petites échelles turbulentes est étudié avec un modèle simplifié de fluide viscoélastique, en conditions d’isotropie et homogénéité. Les changements de la cascade turbulente sont considérés, et leurs conséquences pour la statistique à petite échelle sont examinées. Dans la limité opposée de non linéarités inertielles négligeables, les degrés de liberté polymériques peuvent déstabiliser un écoulement, quand l’élasticité de la solution est assez élevée. En augmentant l’élasticité on observe une transition vers des états « turbulents ». La phénoménologie expérimentale est reproduite numériquement et les propriétés statistiques sont caractérisées. Un autre sujet considéré est celui des mélanges binaires. On examine la séparation de phase entre deux fluides en présence d’un champ de vitesse forcé. On analyse la compétition entre les forces thermodynamiques et les cisaillements locaux, dans des mélanges actifs et passifs, et on souligne le rôle marginal du chaos Lagrangien pour le phénomène de l’arrêt de la mise en ordre.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (vii-103 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 97-102. Résumés en anglais, en français et en italien

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  • Bibliothèque : Université Nice Sophia Antipolis. Service commun de la documentation. Section Sciences.
  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : 06NICE4079
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