Dynamique des structures turbulentes en écoulement de Couette-Poiseuille

Dynamics of turbulent structures in plane Couette-Poiseuille flow

• Auteur / Autrice : Tao Liu
• Direction : Ramiro Godoy Diana
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 27/01/2022
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physique et mécanique des milieux hétérogènes (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Dauchot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Dauchot, Romain Monchaux, Jean-Christophe Robinet, Beverley McKeon, Hassan Peerhossaini
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Romain Monchaux, Jean-Christophe Robinet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vélocimétrie par images de particules

Écoulement cisaillé

Turbulence

Dynamique des fluides

Mots clés libres

Transition à la turbulence

Dynamique des fluides

Instabilité

Bruit

Transition to turbulence

Fluid dynamics

Instability

Noise

Résumé

Dans cette thèse, nous étudions expérimentalement la dynamique des structures turbulentes omniprésentes dans les écoulements de cisaillement confinés par des parois : les « stries » et les « rouleaux ». L’interaction entre ces structures est responsable du processus d’auto-entretien (SSP) de la turbulence. Nous réalisons les expériences dans un canal Couette-Poiseuille plan dans lequel le fluide est entraîné par une membrane mobile latérale et relié à deux réservoirs de sorte que le flux moyen soit nul. Les stries et les rouleaux sont quantifiés par les composantes de vitesse dans la direction de l’écoulement (ux) et dans la direction transverse (uz) mesurées par un système PIV 2D2C et 2D3C. L’évolution des stries et des rouleaux est étudiée par un protocole de «trempe», c’est-à-dire la diminution brutale du nombre de Reynolds Re en partant d’un état totalement turbulent à un régime laminaire ou de transition. L’évolution au cours du processus de décroissance est caractérisée en calculant l’énergie cinétique et la fraction turbulente de la vitesse dans la direction de l’écoulement et dans la direction transverse. Nous montrons que la décroissance des rouleaux est plus rapide que celle des stries. Deux étapes peuvent être distinguées lors de la décroissance des stries. Au cours de la première étape de la décroissance, les rouleaux restants ralentissent la décroissance des stries. Ceci est cohérent avec le mécanisme de soulèvement ("lift-up"), c’est-à-dire la formation de stries par advection linéaire des rouleaux. Nous observons une décroissance exponentielle de l’énergie cinétique dans la direction transverse Ez et caractérisons son taux de décroissance Az qui évolue linéairement avec le nombre de Reynolds final Ref après trempe. Nous étudions également l’effet du bruit, qui est la perturbation générée par le cylindre d’entraînement de la membrane, sur la décroissance transitoire et le régime permanent. Le taux de décroissance de Ez est indépendant des niveaux de bruit. Nous utilisons la susceptibilité de Ez en régime permanent pour quantifier l’intensité du bruit. La susceptibilité maximale augmente lorsque le niveau de bruit diminue. Cette idée est validée par un modèle de 1D dérivé du modèle 1D de D. Barkley pour lequel le bruit en entrée est contrôlé. Nous étudions l’ondulation des stries avec des générateurs de vortex. Les stries sont générées par une paire de cylindres fixés sur la paroi fixe du canal (côté de l’écoulement de Poiseuille). L’évolution des stries devenant ondulées à partir d’un état rectiligne est caractérisée par les trois composantes de vitesse. Nous appliquons un filtre spatial pour séparer la partie droite et la partie ondulée des stries. Nos résultats montrent que l’apparition de la grande amplitude de la vitesse dans la direction transverse et de la vitesse normale à la paroi ondulée est corrélée à l’augmentation de l’ondulation des stries. Enfin, nous relions les mesures de visualisation de l’écoulement et les mesures de PIV dans des expériences de trempe en comparant les évolutions de la fraction turbulente Ft. La visualisation de la fraction turbulente de l’écoulement est obtenue par des méthodes de traitement d’image issues de la littérature. La fraction turbulente des mesures PIV est calculée en seuillant chaque composante de vitesse. La comparaison montre que le temps de décroissance mesuré par la visualisation de l’écoulement correspond à la décroissance des stries dans les mesures de PIV, pour une des méthodes d’analyse d’images testée.

In this thesis we investigate experimentally the dynamics of the ubiquitous turbulent structures in wall-bounded shear flows: streamwise ’streaks’ and ’rolls’. The interaction between these structures is responsible for the self-sustaining process (SSP) of the turbulence. We carry out the experiments in a plane Couette-Poiseuille channel in which the flow is driven by one side moving belt and connected to two reservoirs so that the mean flux is zero. The streaks and rolls are quantified by the streamwise ux and spanwise uz velocity components measured by a 2D2C and 2D3C PIV system. The evolution of the streaks and rolls are studied by a ’quench’ protocol, i.e. decrease of the Reynolds number Re abruptly from a fully turbulent state to a laminar or transition regime. We use ux to present the streaks and the uz as a proxy of the rolls. The evolution during the decay process is characterized by the kinetic energy and the turbulent fraction of the streamwise and spanwise velocity, respectively. We show that the decay of the rolls is faster than the streaks. The streaks have two decay stages in the decay process. During the first stage of the decay, the remaining rolls slow down the decay of the streaks. This is consistent with the lift-up effect, i.e. the formation of streaks by linear advection of the rolls. We observe an exponential decay of the spanwise kinetic energy Ez and characterize its decay rate Az which scales linearly with the final Reynolds number Ref after quenching. We also study the noise effect, which is the disturbance generated by the belt driving cylinder, on the transient decay and the permanent regime. The decay rate of Ez is independent of the noise levels. We use the susceptibility of Ez in the permanent regime to quantify the noise intensity. The maximum susceptibility increases with the decrease of the noise levels. This idea is validated by a 1D map model derived from 1D Barkley model with well defined noise intensity, which can mimic the noise advected in the system. We study the waviness of streaks with vortex generators. The streaks are generated by a pair of cylinders attached on the fixed wall of the channel (Poiseuille flow side). The evolution of the streaks becoming wavy from a straight state is characterized by the three velocity components. We apply a spatial filter to separate the straight part and the wavy part of the flow. Our results shows that the appearance of the large amplitude spanwise and wavy wall-normal velocities is correlated to the increase of the waviness of the streaks. This scenario is consistent with the non-linear self-interactions step which induces streamwise dependent flow in self-sustaining process (SSP). The different cut-off wavelengths of the wavy streaks are investigated to show that the generation of the cross flow components is effective when the waviness is strong enough (small streamwise wavelenth). Finally, we link the PIV and flow visualization measurements in quench experiments by comparing the turbulent fraction Ft evolutions. The turbulent fraction of the flow visualization is obtained by image processing methods from the literature. However, the turbulent fraction from the PIV measurements is computed by thresholding each velocity component. The comparison shows the decay time measured by flow visualization corresponds to the decay of the streaks in PIV measurements, for one of the tested image processing method.