Cascades d’énergie et turbulence d’ondes dans une expérience de turbulence en rotation

Energy cascades and wave turbulence in a rotating turbulence experiment

• Auteur / Autrice : Antoine Campagne
• Direction : John Christos Vassilicos, Pierre-Philippe Cortet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 09/07/2015
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Modélisation et Instrumentation en Physique, Energie, Géosciences et Environnement (Orsay, Essonne ; 2010-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Fluides, automatique et systèmes thermiques (Orsay, Essonne ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Fabien Godeferd
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : John Christos Vassilicos, Pierre-Philippe Cortet, Fabien Godeferd, Sébastien Galtier, Fabien Godeferd, Frédéric Moisy, John Christos Vassilicos
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sébastien Galtier, Fabien Godeferd

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tourbillons (mécanique des fluides)

Ondes

Turbulence

Mots clés libres

Turbulence

Fluides en rotation

Ondes d’inerties

Turbulence d’ondes

Cascades d’énergie

Turbulence

Rotating flows

Inertial waves

Wave turbulence

Energy cascades

Résumé

Nous présentons une étude expérimentale de l’effet d’une rotation d’ensemble sur les écoulements turbulents statistiquement stationnaires. Dans une première expérience, l’écoulement est entretenu à l’aide de générateurs de tourbillons contrarotatifs agissant de manière périodique dans une cuve en rotation remplie d’eau. Des mesures résolues en temps des trois composantes de la vitesse sont réalisées, dans des plans horizontaux et verticaux, à l’aide d’un dispositif de vélocimétrie stéréoscopique par images de particules embarqué dans le référentiel tournant. L’écoulement étudié présente, conformément à la littérature, une forte anisotropie et montre l’émergence d’un mode 2D énergétique. Pour la première fois expérimentalement, nous décrivons le bilan global d’énergie entre échelles d’une turbulence en rotation à travers la mesure des termes de l’équation de Kármán-Howarth-Monin généralisée au cas inhomogène. Nous mettons ainsi en évidence la présence d’une double cascade d’énergie : directe à petite échelle et inverse à grande échelle, l’échelle de renversement des cascades étant décroissante avec le taux de rotation. Nous évaluons ensuite la puissance injectée qui est intrinsèquement liée au caractère inhomogène de l’écoulement. L’injection d’énergie provient de l’auto-advection des structures turbulentes traversant les frontières de la zone de contrôle. Elle est large bande en échelles et s’étale à mesure que la rotation croît. Nous nous intéressons ensuite à la pertinence des modèles de turbulence d’ondes d’inertie. Nous réalisons tout d’abord une analyse spatio-temporelle qui révèle la présence d’ondes d’inertie linéaires à grande échelle spatiale et grande fréquence temporelle. En revanche, nous montrons que la signature spatio-temporelle des structures turbulentes associées aux échelles et fréquences faibles est brouillée par le processus linéaire de balayage stochastique par le mode 2D énergétique. Dans une seconde expérience, l’écoulement est engendré par une hélice constituée de quatre pales rectangulaires dans une cuve fermée en rotation. Nous évaluons le taux de dissipation d’énergie à travers la mesure de la puissance injectée par le moteur qui entraîne l’hélice. Nous fournissons alors, pour la première fois, une preuve directe de la loi d’échelle du taux de dissipation d’énergie prédite par la turbulence d’onde d’inertie qui est diminuée d’un facteur Rossby par rapport à la loi d’échelle de la turbulence 3D homogène et isotrope.

We present an experimental study of the effect of global rotation on statistically stationary turbulent flows. In a first experiment, the flow is generated with counter-rotating vortex generators acting in a periodic motion in a rotating tank filled with water. Resolved in time measurements of the three component of the velocity are performed, in both horizontal and vertical planes, thanks to a stereoscopic particle image velocimetry system embarked in the rotating frame. The flow has, in accordance with the bibliography, a strong anisotropy and shows the emergence of an energetic 2D flow. For the first time experimentally, we describe the global scale by scale energy budget of a rotating turbulence through the measure of the terms of the inhomogeneous generalization of Kármán-Howarth-Monin equation. We thus reveal a double energy cascade: direct at small scale and inverse at large scale, the scale of cascade reversal decreasing with the rotation rate. Then, we evaluate the injected power into the system which is intrinsically linked to the inhomogeneities of the flow. The energy input comes from auto-advection of turbulent structures through the boundaries of the area considered. It is broadband in scales and spreads as ration increases. We then focus on relevance of inertial wave turbulence models. We first perform a spatiotemporal analysis which reveals the presence of linear inertial waves at large frequencies and scales. However, we show that the spatiotemporal signature of small frequencies and scales are scrambled by the linear process of stochastic sweeping by the 2D energetic mode. In a second experiment, the flow is created thanks to a four-rectangular-blade impeller in a closed rotating tank. We estimate the energy dissipation rate through the measure of the injected power by the motor that drives the impeller. We then bring, for the first time, a direct evidence of the scaling law predicted by inertial wave turbulence models which is fallen by a factor Rossby compared to the scaling law of 3D homogeneous isotropic turbulence.