Contrôle de la transition et du transport d'un scalaire passif dans un écoulement en canal initialement laminaire

Control of the transition and of passive scalar transport in an initially laminar channel flow.

• Auteur / Autrice : Benjamin Arrondeau
• Direction : Sedat Tardu, Olivier Doche, Alain Girard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, procédés, énergétique,
• Date : Soutenance le 13/12/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Henda Djeridi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lionel Rossi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Éric Lamballais, Pierre Sagaut

Mots clés

Mots clés libres

Contrôle passif turbulence

Simulation Numérique Directe

Transition bypass

Application au refroidissement

Amélioration transferts thermiques

Écoulement en canal

Passive turbulence control

Direct numerical simulations

Bypass transition

Cooling applications

Heat transfer improvement

Channel flows

Résumé

La transition bypass déclenchée par un contrôle passif, basé sur une distribution spécifique de rugosités rectangulaires placées dans un écoulement en canal initialement laminaire, et à des nombres de Reynolds particulièrement faibles, est analysée à travers les simulations numériques directes de haute résolution.Le transport d'un scalaire passif au sein d'un spot transitionnel dans un écoulement de Poiseuille est d'abord élucidé. La région d'onde du spot est responsable d'importantes fluctuations de vitesse et de température, ce qui est un atout pour le mélange turbulent. Les flux turbulents liés au transport du scalaire sont plus importants, le temps de brassage est divisé par deux, et les estimations basées sur la dissipation de l'énergie cinétique montrent que le mélange est plus rapide et que le rapport surface/volume est plus important dans le spot total comparé à la turbulence de paroi canonique.L'effet des rugosités de grandes tailles sur la transition dans un écoulement de Poiseuille est analysé dans un deuxième temps. La transition à la turbulence n'est déclenchée que lorsque les rugosités sont distribuées en quinconce. Un régime totalement rugueux est alors atteint, même dans le cas où le décalage entre les rugosités est faible. Le nombre de Nusselt devient indépendant du nombre de Reynolds et atteint des valeurs considérablement plus grandes comparé au régime pleinement turbulent en canal lisse.Enfin, les rugosités sont distribuées en quinconce dans la zone de développement hydraulique d'un canal. Des configurations dans lesquelles les rugosités couvrent entièrement ou partiellement la zone d'entrée ont été analysées avec deux hauteurs de rugosités différentes. Le régime est sous-critique pour chaque configuration, et la transition bypass est déclenchée dans les situations où Re est suffisamment grand par rapport au nombre de Reynolds critique et/ou la perturbation imposée est intense. Lorsque ces deux conditions sont vérifiées, les structures actives arrivent à pénétrer le canal de contrôle (en aval des rugosités) dans lequel la turbulence locale se relaxe et se désintègre suivant la direction longitudinale. Cependant, la longueur de relaxation est suffisamment grande pour forcer le transfert pariétal vers un régime pseudo-turbulent et le nombre de Nusselt est significativement plus grand que celui d'un écoulement turbulent développé équivalent.

Bypass transition triggered by a passive control, based on a specific distribution of rectangular roughnesses placed in an initially laminar channel flow, and at particularly low Reynolds numbers, is analysed through high-resolution direct numerical simulations.The transport of a passive scalar within a transitional spot in a Poiseuille flow is first elucidated. The wave region of the spot is responsible for large velocity and temperature fluctuations, which is an advantage for turbulent mixing. The turbulent fluxes linked to the scalar's transport are greater, the stirring time is halved, and estimates based on the dissipation of kinetic energy show that mixing is faster and that the surface/volume ratio is greater in the total spot compared with canonical wall turbulence.The effect of large roughnesses on the transition to Poiseuille flow is analysed in a second step. The transition to turbulence is only triggered when the roughnesses are distributed in a staggered pattern. A totally rough regime is then reached, even in the case where the shift between the roughnesses is small. The Nusselt number becomes independent of the Reynolds number and reaches considerably higher values compared with the fully turbulent regime in a smooth channel.Finally, the roughnesses are distributed in a staggered pattern over the hydrodynamic entrance region of a channel. Configurations in which the roughness completely or partially covers the entry region were analysed with two different roughness heights. The regime is subcritical for each configuration, and the bypass transition is triggered in situations where Re is sufficiently large compared with the critical Reynolds number and/or the imposed disturbance is intense. When these two conditions are met, the active structures are able to penetrate the control channel (downstream of the roughnesses) in which the local turbulence relaxes and decays in the streamwise direction. However, the relaxation length is long enough to force the heat transfer to a pseudo-turbulent regime and the Nusselt number is significantly greater than that of an equivalent developed turbulent flow.