Dispersion et absorption de la lumière dans les écoulements turbulents

par Vincent Bouillaut

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Sebastien Aumaitre et de Basile Gallet.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....) , en partenariat avec Service de Physique de l'Etat Condensé (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    De multiples systèmes complexes transfèrent l'énergie d'une source à de multiples chemins dissipatifs, stockant transitoirement une partie de cette énergie. Un première exemple sont les réseaux électriques, qui reçoivent de l'énergie des générateurs et qui la transportent aussi efficacement que possible aux consommateurs. Un second exemple est celui du climat, il peut être vu comme un système hors équilibre qui reçoit de l'énergie solaire et la convertit en énergie potentielle et cinétique, avant de la dissiper sous forme de chaleur. Dans ces systèmes, la puissance injectée, l'énergie stockée et l'énergie dissipée peuvent être des quantités fortement fluctuantes. Une large fraction de ces fluctuations est due à la turbulence : la force du vent injectée dans les réseaux électriques fluctue beaucoup à cause des variations dans les écoulements atmosphériques grande échelle. L'énergie cinétique turbulente et le taux de dissipation turbulent de l'énergie des écoulements océaniques et atmosphériques sont des quantités fluctuantes. Le but de cette thèse est d'étudier un écoulement turbulent typique dans lequel on mesurera en temps réel à la fois l'énergie injectée et l'énergie dissipée, capturant ainsi des phénomènes énergétiques rares qui permettront d'appréhender la capacité des écoulements turbulents à stocker et libérer l'énergie. Le défi expérimental consiste dans la réalisation de mesures résolues en temps de l'énergie dissipée. A cette fin nous comptons utiliser une méthode de Diffusing Wave Spectroscopy, combinée une caméra rapide pour acquérir les schémas de speckles. Cette méthode permettra d'accéder en temps réel à la dissipation dans tout le volume. Cette méthode innovante sera combinée avec des mesures standards afin d'accéder à la structure de l'écoulement ainsi qu'à l'énergie injectée. Ce projet utilisera des méthodes optiques de pointe pour fournir des outils de diagnostic innovants concernant la dynamique des écoulements turbulents, donnant les clés pour comprendre l'énergétique des systèmes complexes.

  • Titre traduit

    Light scattering and absorption in turbid turbulent fluids


  • Résumé

    Many complex systems transfer energy from a source to various dissipative pathways, transiently storing part of this energy. A first example is power grids, which receive energy from generators and deliver it as efficiently as possible to various consumers. A second one is the climate system, which can be seen an out-of-equilibrium system that receives solar energy and converts it into potential and kinetic energy, before dissipating it into heat. In these systems, the input power, the energy stored and the dissipated power can be strongly fluctuating quantities. A large fraction of these fluctuations is due to fluid turbulence: the wind-power input in power grids strongly fluctuates as a consequence of variations in the large-scale atmospheric flows. The turbulent kinetic energy and the turbulent energy dissipation rate of atmospheric and oceanic flows are fluctuating quantities. The goal of this PhD thesis is therefore to study an archetypal turbulent flow in which we measure in real-time both the input power and the dissipated one, therefore capturing rare energetic events and shedding light on the capacity of the turbulent flow to store and release energy. The experimental challenge consists in performing time-resolved measurements of the dissipated power. To wit, we plan to use Diffusing Wave Spectroscopy, combined to highspeed camera to acquire the diffused speckle patterns. This method will allow us to access in real-time the space-averaged dissipation over the entire flow volume. This innovative measurement will be combined with standard flow measurements to access the flow structure and the input power. This project therefore plans to use high-end optical methods to provide innovative diagnostic tools in turbulent fluid dynamics, with key implications for the energetics of complex systems (climate, wind-power harvesting, etc.).