Des évènements extrêmes de dissipation aux évènements extrêmes de dispersion, une empreinte des singularités : Approche expérimentale

From Dissipation Extreme Events to Dispersion Extreme Events, a Print of Singularity : Experimental Approch

• Auteur / Autrice : Damien Geneste
• Direction : François Daviaud, Jean-Philippe Laval, Bérengère Dubrulle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 02/02/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Service de physique de l'état condensé (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Sébastien Galtier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aurore Naso, Mickaël Bourgoin, Alain Pumir
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Aurore Naso, Mickaël Bourgoin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Processus irréversibles

Navier-Stokes, Équations de

Vélocimétrie par images de particules

Singularités (mathématiques)

Turbulence

Mots clés libres

Turbulence

Singularités

PTV

Navier-Stokes

Turbulence

Singularities

PTV

Navier-Stokes

Résumé

Dans ce travail de thèse, nous nous intéressons à des phénomènes reliés à une propriété étonnante des écoulements turbulents: l'indépendance du taux de dissipation par rapport à la viscosité à grands nombres de Reynolds. Cela suggère l'existence de zones très localisées dans lesquelles se développent des gradients de vitesse extrêmes, hors de portée des simulations numériques actuelles. Dans ce travail, nous tentons d'observer ces phénomènes rares et fugaces correspondant à des évènements extrêmes de dissipation très localisée. Nous réalisons une étude expérimentale dans un écoulement turbulent de von Kármán. L'expérience est constituée d'un cylindre rempli d'eau mis en mouvement par deux turbines indépendantes en rotation opposée placées à chaque extrémité de la cuve cylindrique. Nous visualisons les champs de vitesses dans une zone au milieu de l'expérience par une méthode de vélocimétrie par suivi de particules (4D-PTV) cette technique permet de suivre en temps réel le trajet de particules de petites tailles illuminées par un puissant laser. Finalement, cette technique nous permet de confronter les observations des évènements extrêmes d'un point de vue eulérien d'une part, via les extrêmes de taux de dissipation local, et d'un point de vue lagrangien d'autre part, via les évènements extrêmes d'irréversibilité - dissymétrisation temporelle de dispersion des paires de particules. Nous tentons de montrer dans quelle mesure ces deux quantités (i) sont reliées - dans la limite finie des grands nombres de Reynolds - et (ii) peuvent fournir des indicateurs de phénomènes extrêmes de la turbulence. Finalement, nous discutons de la possibilité de mettre au point un critère fiable permettant de sélectionner les phénomènes particuliers impliqués dans l'intermittence et le mélange turbulent (régime de Richardson-Oboukhov).

In this thesis, we focus on phenomena linked to a surprising property of turbulent flows: the independence of dissipation rate on viscosity at large Reynolds numbers. This suggests the existence of small areas of space where extreme velocity gradients take place, that is far out of reach by numerical simulations. Herein, we attempt to observe these rare and short-lived phenomena linked to very localized events. We achieve through an experimental study of a von Kármán turbulent flows. The experiment is composed of a water-tank stirred by two independant counter-rotating impellers placed at the top and bottom of the tank. We visualize the velocity field in the middle of the tank by a so-called Particle Tracking Velocimetry method (4D-PTV), this method tracks small particles illuminated by a powerfull laser. Finally, it enables the comparison of extreme events from the Eulerian point-of-view via extreme events in the local dissipation rate, with the Lagrangian point-of-view via irreversible extreme events (the temporal dissymmetry of the particle-pair dispersion). We try to show (i) the link between these extrem events and (ii) how they can be used as the indicators of extreme events in turbulent flows. Finally, we promote the possibility to create a reliable criteria allowing to select a particular phenomenon linked to the intermittency and turbulent mixing (Richardson-Oboukhov mixing).