Etude de la turbulence d'ondes élastiques et gravito-capillaires : de l'idéal théorique aux conditions réelles ?

par Roumaissa Hassaini

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides Energétique, Procédés

Sous la direction de Nicolas Mordant.

Le président du jury était Eric Barthélémy.

Le jury était composé de Gustavo Düring H., Sergey Nazarenko.

Les rapporteurs étaient Frédéric Moisy, Eric Falcon.


  • Résumé

    La turbulence d'onde faible (TTF) est une théorie statistique appliquée à un ensemble d'ondes aléatoires non cohérentes et dispersives. En supposant un domaine infini et une nonlinéarité infinitésimale, une prédiction sur la cascade d'énergie entre échelles par le biais d'interactions résonantes des échelles d'injection aux échelles dissipatives est alors possible. La théorie semble souvent mise en défaut par la confrontation expérimentale pour les ondes de surface. Une explication potentielle de cette divergence entre expérience et théorie est l'aspect fortement restrictif des hypothèses nécessaires à la validité de la théorie. Nous proposons dans cette thèse d'explorer l'impact du non-respect de certaines de ces hypothèses sur les propriétés statistiques de la turbulence. Des expériences à l'interface de deux liquides non-miscibles ont été entreprises afin d'étudier l'impact de l'augmentation de la dissipation visqueuse et donc de la réduction du temps dissipatif sur la mise en place de la cascade d'énergie. Une expérience à la surface de l'eau avec un confinement progressif de la largeur de la cuve a été effectuée afin d'observer une potentielle coexistence de la turbulence discrète, dans la direction confinée, et continue, dans la direction non confinée. Une analyse expérimentale des ondes gravito-capillaires où la dispersion a été réduite a permis de mettre en lumière une transition d'un régime de TTF vers un régime contenant des structures cohérentes localisées que sont les solitons. Afin de vérifier si une telle transition peut être visible sur un système physique différent, une étude expérimentale et numérique ont été conduites sur les ondes dans une plaque élastique précontrainte. Dans ce milieu l'effet de dispersion des ondes de flexion et en compétition avec le caractère non-dispersif des ondes de tension. Nous nous intéresserons par ailleurs numériquement aux régimes faiblement et fortement non-linéaires des ondes purement non-dispersives dans la membrane.

  • Titre traduit

    Study of turbulence of elastic and gravity-capillary waves : beyond the weak turbulence theory ?


  • Résumé

    Weak wave turbulence (WTT) is a statistical theory applied to a large number of incoherent and dispersive waves. Based on the hypothesis of small non-linearity and infinite domain the theory predicts an energy cascade from the forcing scales to the dissipative scales. The confrontation of WTT to experiment for surface waves raises many inconsistencies. The strong hypotheses on which is developed the WWT may be the explanation of such disparity between experiment and theory. The aim of this Thesis is to investigate the impact of the invalidation of some of these conditions on the statistical properties of turbulence. Experiments of interfacial waves between two non-miscible fluids with different viscosities have been carried out to characterize the effect of the increase of viscous dissipation on the energy cascade. An experiment at the surface of water with an increasing confinement of the width of the vessel has been done in order to possibly observe a co-existence between discrete turbulence and classical turbulence. An experimental study of gravity-capillary waves with a decrease of dispersion led us to the observation of a transition to a solitonic regime. In order to verify whether such a transition can be observed in a different physical system, an experimental and numerical study were conducted on the waves in a prestressed elastic plate. In this medium, the effect of dispersion of bending waves is competing with the non-dispersive aspect of stretching waves. We also studied weakly and strongly non-linear regimes of purely stretching waves in a membrane.


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