Contrôle de la turbulence dans les conduites cylindriques divergentes : stabilisation des Etats limites et réduction de la dissipation énérgétique

Τurbulence cοntrοl in a diverging pipe flοw : Stabilizing Edge States and Reducing Energy Dissipatiοn

• Auteur / Autrice : Oussama Latrech
• Direction : Innocent Mutabazi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 06/11/2024
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire ondes et milieux complexes (Le Havre, Seine-Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement co-accrédité : Université du Havre (1984-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurette S. Tuckerman
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Innocent Mutabazi, Jean-Christophe Robinet, Jorge Peixinho, Grégoire Lemoult, Yohann Duguet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurette S. Tuckerman, Jean-Christophe Robinet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Simulations numériques directes avec particules résolues

Nombre de Reynolds

Turbulence

Mots clés libres

Transition vers la turbulence

Simulations numériques directes (DNS)

Contrôle d'écoulement

État limite

Nek5000

Écoulement dans une conduite à expansion

Écoulement en conduite

Transition to turbulence

Direct Numerical Simulations

Flow Control

Edge state

Nek5000

Expansion pipe flow

Pipe flow

Résumé

Lors de l’écoulement de fluides dans des conduites, les pertes par frottement liées à la turbulence sont responsables de la majeure partie de l’énergie consommée, représentant près de 10% de la consommation mondiale d’électricité. Afin de réduire notre empreinte énergétique, il est essentiel de développer des méthodes novatrices pour pomper les fluides de manière plus efficiente.Il est désormais bien établi que la turbulence s’organise autour d’un ensemble de solutions invariantes instables. En mettant en œuvre des stratégies de contrôle adaptées, il est possible de forcer l’écoulement à évoluer vers des régions de l’espace des phases plus favorables énergétiquement.Cette thèse porte sur la transition sous-critique vers la turbulence dans différentes configurations de conduites divergentes à l’aide de simulations numériques détaillées. Il a été observé que des angles de divergence plus importants réduisent généralement les nombres de Reynolds critiques nécessaires pour le déclenchement de la turbulence, bien que cet effet varie selon les configurations spécifiques, telles que les conduites à expansion brusque. L’influence de l’angle de divergence et du nombre de Reynolds sur la position des puffs turbulents stationnaires et des points de réattachement des zones de recirculation a également été analysée. De manière notable, des angles plus grands et des nombres de Reynolds plus élevés conduisent à une stabilisation des puffs turbulents et des points de réattachement plus proches du point d’expansion, en contraste avec la croissance linéaire des zones de recirculation observée en régime laminaire.En adoptant une approche de système dynamique, cette thèse explore également la stabilisation de l’état de moindre dissipation, connu sous le nom d’edge state, via des stratégies de contrôle par rétroaction. Bien qu’une stabilisation complète n’ait pas été atteinte, des réductions significatives de la traînée visqueuse et une amélioration de l'efficacité énergétique ont été obtenues. Dans une configuration de conduite divergente présentant une symétrie miroir, ces stratégies ont conduit à des économies d’énergie notables sur une large plage de nombres de Reynolds. À l’inverse, dans des configurations de conduites divergentes sans symétrie, l’efficacité de ces stratégies était plus restreinte et limitée à une gamme étroite de nombres de Reynolds autour du seuil de transition vers la turbulence. En outre, la robustesse et l’efficacité de ces stratégies de contrôle par rétroaction ont été évaluées dans des conditions simulant des scénarios opérationnels réels, démontrant ainsi leur potentiel d’application en milieu expérimental.Cette thèse analyse également la dynamique des edge states dans les écoulements divergents, en utilisant la méthode classique de bisection dans le cadre de la simulation numérique directe (DNS) via l'outil Nek5000. Ces techniques ont d’abord été appliquées aux conduites droites, validant ainsi les résultats de recherches précédentes et établissant une référence pour des analyses comparatives dans des géométries plus complexes. Par la suite, la méthode a été appliquée à une configuration de conduite à expansion brusque, où le suivi des edge states a révélé des défis majeurs en raison de la tendance de l’écoulement à transitionner vers un régime turbulent en raison d’une potentielle instabilité linéaire. Enfin, l’algorithme a été appliqué à une configuration à expansion graduelle, où des événements de bouffées quasi-périodiques ont été observés, déclenchant un cycle auto-entretenu de turbulence, alimenté par des mécanismes convectifs et une instabilité de la couche de cisaillement.

When driving fluids through pipes, the increased friction losses associated with turbulence are responsible for the majority of the energy used, corresponding to nearly 10 % of the global electric energy consumption. If one wants to succeed in reducing our energy footprint, discovering innovative ways to efficiently pump fluids is crucial.It is now understood that turbulence is organized around a set of unstable invariant solutions. By implementing bespoke control schemes, it is possible to force the flow into a more energetically favorable region of the phase space.This thesis focuses on the subcritical transition to turbulence in various divergent pipe configurations through detailed numerical simulations. It was found that larger divergence angles generally reduce the critical Reynolds numbers required for the onset of turbulence, though this effect varies with specific pipe configurations such as sudden expansion pipe. The influence of divergence angle and Reynolds number on the positioning of stationary turbulent puffs and the reattachment points of recirculation zones was also investigated. Notably, larger angles and higher Reynolds numbers cause both puffs and reattachment points to stabilize closer to the expansion point in contrast to the linear growth of the recirculation zones observed in laminar flow conditions.Adopting a dynamical system perspective, the thesis also examines the stabilization of the least dissipative state, known as the edge state, through feedback controls schemes. While complete stabilization was not achieved, significant reductions in viscous drag and enhanced energy efficiency were observed. In a divergent pipe configuration with mirror symmetry, these strategies resulted in substantial energy savings across a broad range of Reynolds numbers. Conversely, in full divergent pipe configurations without symmetry, the effectiveness of these strategies was more limited and restricted to a narrow range around of Reynolds number around the onset of turbulence. Moreover, the robustness and efficiency of these feedback strategies were evaluated under conditions simulating practical operational scenarios, demonstrating their potential applicability in experimental settings.This thesis also analyses the dynamics of edge states in divergent pipe flows, using classical bisection method within the DNS framework Nek5000. We applied these techniques in straight pipes, validating previous research findings and establishing a baseline for further comparative analysis in more complex geometries. Subsequently, the method was applied to a sudden expansion pipe configuration where edge tracking revealed significant challenges due to the flow’s tendency to quickly revert to turbulence due to a potential linear instability. Finally, the algorithm was applied to a gradual expansion pipe, where quasi-periodic bursting events were observed, initiating a self-sustaining cycle of turbulence driven by convective mechanisms and shear layer instability.