Investigations on the relevance of Onsager's conjecture in real incompressible turbulence

par Denis Kuzzay

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Bérengère Dubrulle.

Soutenue le 05-10-2016

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) et de Service de physique de l'état condensé (Gif-sur-Yvette, Essonne) (laboratoire) .

Le président du jury était Frédéric Moisy.

Le jury était composé de Bérengère Dubrulle, Frédéric Moisy, Jean-Luc Guermond, Laurent Chevillard.

Les rapporteurs étaient Jean-Luc Guermond, Laurent Chevillard.

  • Titre traduit

    Détection des singularités de Navier-Stokes dans des écoulements expérimentaux turbulents


  • Résumé

    En turbulence pleinement développée et incompressible, on constate que l’énergie cinétique d’unécoulement est dissipée à un taux indépendant du nombre de Reynolds. C’est la loi zéro de la turbulence.Cette loi, qui fut découverte en 1935 par Taylor, a eu de nombreuses confirmations expérimentaleset numériques, et est au coeur de notre compréhension de la physique des régimes turbulents. Dansles années qui suivirent, Taylor proposa un mécanisme pour rendre compte de la loi zéro, basé sur laviscosité et sur l’idée d’une cascade d’énergie à travers les échelles. En 1949, Onsager se rend comptequ’une dissipation d’énergie peut aussi se produire sans l’assistance des forces visqueuses à petite échellesi le champ de vitesse devient suffisamment irrégulier, et propose une conjecture sur la régularité minimaleque devrait satisfaire le champ de vitesse pour assurer la conversation de l’énergie en l’absencede viscosité. En 2000, deux mathématiciens français, Jean Duchon et Raoul Robert, formalise pour lapremière fois les idées d’Onsager dans un cadre mathématique rigoureux. Ils établissent la forme exactede la dissipation d’énergie émanant de l’existence possible de singularités, et I’expriment en fonctiondes incréments de vitesse. Cependant, la pertinence de ces concepts en turbulence expérimentale resteà établir, et n’a jamais été étudiée.Dans cette thèse, nous proposons les premiers tests des idées d’Onsager à partir de données expérimentales,en se basant sur le travail de Duchon et Robert. Pour cela, nous nous plaçons dans le cadredes écoulements de von Kármán où la régularité des équations de Navier-Stokes n’est pas connue. Nousutilisons des mesures de vélocimétrie par image de particules pour obtenir les trois composantes duchamp de vitesse dans un plan méridien, et ainsi calculer ses incréments à l’échelle de résolution de notresystème de mesure. Le résultat principal de ce travail est la mise en évidence du caractère non-trivialdes écoulements turbulents à l’échelle de Kolmogorov, où l’on observe des topologies très irrégulièresdu champ de vitesse coïncidant avec des évènements extrêmes de transferts inertiels d’énergie.


  • Résumé

    The zeroth law of turbulence states that fully developed turbulent incompressible flows dissipatetheir kinetic energy independently of the Reynolds number. Since its discovery by Taylor in 1935, thislaw has had many experimental and numerical confirmations, and is at the heart of our understandingof turbulence. In the following years, Taylor proposed a mechanism for the zeroth law, based onviscosity and the idea of a cascade of energy through scales. In 1949, Onsager realized that energydissipation could occur without the final assistance by viscosity at small scales if the velocity fieldbecomes sufficiently irregular, and conjectured the minimum regularity condition above which energyconservation is ensured in the absence of viscosity. In 2000, two french mathematicians, Jean Duchonand Raoul Robert, were able to derive the analytical expression for the inertial dissipation in termsof velocity increments, along with the corresponding energy balance. However, the relevance of theseideas for real turbulence has never been studied.In this thesis, we present the first tests of Onsager’s idea from experimental data, based on thework of Duchon and Robert. We enter the framework of von Kármán flows for which the regularity ofNavier-Stokes equations is unknown. We use particle image velocimetry measurements which provideus with the three components of the velocity field on a meridional plane, and allows for the computationof velocity increments at the resolution scale of our measurement set-up. In this work, we point out thenon-trivial character of turbulent flows at the Kolmogorov scale, where we observe irregular


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