Transport et diffusion dans des écoulements complexes

Transport and diffusion in complex flows

• Auteur / Autrice : Agnese Seminara
• Direction : Antonio Celani, Andrea Mazzino
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Nice en cotutelle avec Università degli studi (Gênes, Italie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nuages -- Physique

Champs scalaires

Diffusion (physique)

Mécanique des fluides

Turbulence

Résumé

Cette thèse porte sur les propriétés statistiques de systèmes hors équilibre. La première partie est dédiée à l’étude de la diffusion vers une côte rocheuse. L’invariance d’échelle, déjà observée pour ce type de côte, est généralisée à l’invariance conforme. Cela permet d’étudier le problème de diffusion en utilisant des résultats de l’analyse harmonique pour le potentiel près d’une ligne invariante conforme. On montre l’intermittence spatiale du flux de polluant qui diffuse vers la ligne de côte. La deuxième partie porte sur le scalaire passif qui décrit les problèmes de transport réel comme la dispersion d’un colorant ou de la température en conditions appropriées. La structure de grande échelle du champ ne suit pas la prédiction d’équilibre thermique. Cela est lié à la présence de corrélations à longue portée, et d’une longue mémoire des conditions initiales dues au transport turbulent. La troisième partie est dédiée à la condensation de gouttes dans des écoulements humides turbulents. L’étude de ce problème est d’un grand intérêt pour la compréhension de la formation rapide de la pluie dans les nuages chauds. Il est également d’intérêt pour des problèmes technologiques, comme l’optimisation de moteurs à injection directe. Le transport turbulent joue un rôle important de part le fait qu’il engendre de grandes fluctuations des conditions du milieu où les gouttes grandissent. Les théories de champ moyen ne peuvent pas décrire les effets dˆus aux corrélations entre les gouttes et le champ de vapeur.

The broad subject of this thesis is the statistical physics of non-equilibrium systems. The first part is dedicated to the problem of diffusion over rocky shorelines. It turns out that the observed fractality of a consistent portion of the world coastline can be promoted to conformal invariance. This allows to investigate the problem of diffusion toward the coastline using results of harmonic analysis for the potential in the vicinity of a conformal invariant curve. The flux of a pollutant diffusing toward the shoreline is shown to display spatial intermittency. The second part is dedicated to passive scalar transport, which describes real problems like the dispersion of dilute dyes or temperature under appropriate conditions. Thermal equilibrium expectations for the large-scale passive scalar structure are violated. The breakdown of Gibbs equilibrium is traced back to long-range correlations and long-lasting memories of the initial conditions, due to the underlying turbulent velocity field. The third part is dedicated to the problem of condensation/evaporation of microdroplets in turbulent moist environment. This general issue is relevant for the understanding of rain-initiation efficiency in warm clouds and for technological issues like the optimization of spark-ignition engines. Turbulent transport is found to play a crucial role in that it provides strong fluctuations for droplet growth. Due to correlations between droplets and vapor field, mean-field type arguments are found to be inadequate to capture relevant aspects of the problem.