How large spheres spin and move in turbulent flows

par Robert Zimmermann

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jean-François Pinton.

Soutenue le 13-07-2012

à Lyon, École normale supérieure , dans le cadre de École doctorale de Physique et d’Astrophysique (Lyon) , en partenariat avec Laboratoire de physique (Lyon) (laboratoire) .

Le président du jury était Christophe Baudet.

Le jury était composé de Jean-François Pinton, Christophe Baudet, Haitao Xu, Luminita Danaila, Romain Volk.

Les rapporteurs étaient Haitao Xu.

  • Titre traduit

    De la translation et de la rotation de sphères de grande taille dans un écoulement turbulent


  • Résumé

    Le but de ce travail de thèse est l’étude de la dynamique de sphères de grande taille dans un écoulement fortement turbulent. Pour ce faire, nous avons développé une nouvelle technique optique permettant de suivre la dynamique à 6 dimensions – position et orientation absolues – de plusieurs particules dans un écoulement complexe. Bien que la taille des particules soit comparable à l’échelle intégrale de l’écoulement, nous trouvons que sa dynamique de rotation et de translation est intermittente. De plus, nous observons que la translation et la rotation sont reliées par la force de Magnus. La répartition statistique de l’accélération n’est pas gaussienne et l’échange d’énergie avec le fluide est gouverné par la théorie mathématique des grandes déviations. Nous trouvons que le diamètre influence fortement la manière dont la particule explore l’écoulement. Nous avons ensuite appliqué le suivi de position et d’orientation à une particule instrumentée. Ce système mesure en permanence l’accélération lagrangienne qu’il subit via un accéléromètre embarqué et émet l’information à travers une électronique radio fréquence. L’orientation absolue est nécessaire pour exprimer les signaux de l’accéléromètre et ceux du suivi optique dans un repère commun; cela nous permet de comparer rigoureusement les mesures issues de ces deux techniques indépendantes. À partir de ces résultats nous avons développé des méthodes pour inférer des propriétés de l’écoulement à partir des signaux d’accélération de la particule instrumentée.


  • Résumé

    The aim of this dissertation is to gain a better understanding of the Lagrangian dynamics of solid large spheres in a complex turbulent environment. Therefore, a novel measurement technique to optically track the 6–dimensional dynamics – position and absolute orientation – of large spheres advected by a complex flow is developed. Although the sphere’s diameter is comparable to the integral length of the underlying flow, we find intermittency for both the translation and the rotation. Moreover, rotation and translation couple in agreement with a lift force. Apart from the fact that the acceleration statistics are not gaussian, and the exchange of energy between the particle and the carrier flow falls into the mathematical theory of large deviations. Additionally, we find that the particle diameter has a surprisingly strong influence on how a particle samples the flow. The 6D–tracking technique is then applied to an instrumented particle, which embarks a 3D–accelerometer and a radio-transmission system to constantly emit the felt Lagrangian acceleration as it is advected in the flow. Measuring the particle’s absolute orientation is a crucial step here to project the acceleration measured by the particle into the laboratory reference frame and enables us to compare the forces obtained by the two independent measurements. Based thereon methods for interpreting the acceleration signals of the instrumented particle are developed and tested.


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