Etude et modélisation de la turbulence homogène stratifiée instable

Study and modelling of unstably stratified homogeneous turbulence

• Auteur / Autrice : Alan Burlot
• Direction : Fabien Godeferd, Benoît-Joseph Gréa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 09/12/2015
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (France)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides et acoustique (Rhône) - Laboratoire de Mecanique des Fluides et d'Acoustique / LMFA
• Jury : Président / Présidente : Julian Scott
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claude Cambon, Jean-Marc Chomaz, Daniel Livescu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bérengère Dubrulle, Jacques Magnaudet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Instabilité de Rayleigh-Taylor

Turbulence

Mots clés libres

Mélange

Stratification

Modèle spectral

EDQNM

DNS

Mixing

Turbulence

Stratification

Rayleigh-Taylor instability

Spectral modeling

EDQNM

DNS

Résumé

Cette thèse est consacrée à l’étude de la turbulence homogène stratifiée instable, un écoulement idéalisé décrivant l’évolution de la turbulence au sein d’une zone de mélange de type Rayleigh-Taylor. Cette approche se concentre sur l’évolution des quantités fluctuantes ;l’influence de l’écoulement moyen est prise en compte au travers d’un gradient moyen de densité. Un modèle spectral est utilisé pour étudier cette turbulence, conjointement à des simulations numériques directes. En comparaison avec ces simulations, l’étape de validation du modèle met en lumière le rôle des termes de stratification sur la dynamique du transfert d’énergie. Une première étude montre l’établissement, dans l’état autosemblable, de lois d’échelles ainsi que l’influence de la distribution initiale d’énergie sur l’état asymptotique et sur l’anisotropie de l’écoulement. Dans une seconde étude, la rétroaction de la turbulence sur le gradient moyen est introduite, dans un premier temps, afin de rapprocher la dynamique autosemblable de la turbulence homogène stratifiée instable de celle observée en turbulence Rayleigh-Taylor. Dans un second temps, l’influence d’un renversement de la stratification sur la dynamique du mélange est étudiée au travers d’un profil d’accélération variable.

This thesis is dedicated to the study of unstably stratified homogeneous turbulence.This flow is an idealized framework introduced to investigate the turbulence developing at the centerline of a Rayleigh-Taylor mixing zone. This approach focuses on turbulent quantities, when the mean flow acts on the turbulent field through a mean density gradient.A spectral model and direct numerical simulations are used to study this turbulent flow.The validation step reveals the role of stratification terms on the energy transfer dynamic.Then, a first study shows the emergence of scaling laws in the self-similar state, together with the large scale energy distribution impact on the asymptotic state and on the flow anisotropy. In a second study, the turbulent retroaction on the mean density gradient is introduced in order to bring unstably stratified homogeneous turbulence closer to theRayleigh-Taylor turbulence dynamics. This step leads to investigate the consequences of a stratification inversion on the mixing dynamics through a variable acceleration profile.