Thème 1: Turbulence

Ce thème vise à étudier et à modéliser les écoulements turbulents à l'aide de méthodes expérimentales et numériques en mettant l'accent sur l'inhomogénéité et la non-stationnarité dans les écoulements délimités par les parois, les sillages, les jets et plusieurs autres configurations d'écoulement.

Contact: Christos VASSILICOS.

Liste de publications

Objectifs

Le problème de la turbulence est, en définitive, de réduire massivement le nombre de degrés de liberté et ainsi permettre des prédictions rapides et faciles d’écoulements turbulents. Ce problème est vaste car il englobe une vaste gamme d’écoulements turbulents largement présents dans la nature et en ingénierie. Une partie du problème est de déterminer si des réductions fidèles du nombre de degrés de liberté sont possibles et jusqu’à quel niveau de réduction, pour quelles quantités d’écoulement turbulent, et pour quelle classe d’écoulements turbulents. Comprendre la physique fondamentale de la turbulence et des écoulements turbulents est un pas essentiel et doit être fait en étudiant en parallèle plusieurs type
d’écoulements turbulents d’un point de vue théorique, expérimentale et par le calcul. C’est en effet l’approche du LMFL qui s’attache également aux applications, à la modélisation de la turbulence et la conception et le contrôle des écoulements turbulents.

La recherche sur la turbulence du LMFL met l’accent sur les fluctuations, l’inhomogénéité et la non-stationnarité, qui sont présentes dans tous les écoulements turbulents, à l’exception de quelques aspects de la turbulence homogène / périodique statistiquement stationnaire. Les applications actuellement à l’étude concernent la séparation des écoulements turbulents ou le mélange efficace et économe en énergie

Liste des projets récents ou en cours dans le laboratoire

1. Chaire d’exellence I-SITE/MEL/Région CoPreFlo (2019-2023)

Ce projet s’intéresse aux cascades dans la turbulence hors équilibre non homogènes et aux propriétés de dissipation de la turbulence qui en résultent dans divers écoulements turbulents non homogènes. La manière dont les transferts d’énergie et scalaires dans l’espace d’échelle interagissent avec ces transferts dans les espaces physiques est également un axe important du projet. Il s’agit de la physique fondamentale de la turbulence qui a un impact pivot sur l’évolution des écoulements turbulents, sur les caractéristiques les plus saillantes de ces écoulements tels que l’entraînement et la croissance turbulente sillage / jet / couche limite et sur les approches de prédiction de la turbulence.

Ce projet combine théorie, simulations numériques et expériences de laboratoire et se compose des sous-projets suivants (4 doctorants et 2 post-doctorants).

  1. Transferts d’énergie inter-échelles et spatiales à l’interface turbulente / non turbulente (TNTI) des sillages et jets turbulents
  2. Entrainement et vitesse de l’interface (TNTI) par rapport au fluide dans divers types de couches limites turbulentes et divers types de sillages turbulents.
  3. Transferts d’énergie inter-échelles et spatiales dans les écoulements turbulents des canaux.
  4. L’impact sur les fluctuations turbulentes et le frottement des « attached eddies » dans les couches limites turbulentes et les écoulements de canal turbulents.
  5. Hélicité et transferts d’énergie et de concentration scalaires inter-échelles et spatiales dans des mélangeurs à conteneurs fermés agités par des pales régulières ou fractales, avec ou sans déflecteurs.
  6. Hélicité et structures cohérentes et leur relation avec la dissipation de la turbulence hors équilibre dans les sillages turbulents.
  7. Échelle de dissipation turbulente dans divers types de sillages turbulents.
Gauche: Mesure PIV pour l’étude de la turbulence dans un mélengeur avec des pâles fratals. Milieu: Exemples de structures de vitesse instantanée normalisée dans le sillage des deux barres carrées à Re=10 4. Droite: Visualisation de l’enstrophie à partir d’un DNS de jet temporel

2. «Effet du gradient de pression adverse sur des écoulements de paroi turbulents » (3 PhD terminés et en cours)

Au cours des 15 dernières années, plusieurs projets et thèses se sont concentrés sur les écoulements de couche limite turbulente avec gradient de pression. Une rampe spécifique a été conçue dans le projet EUHIT (2013-2017) pour être montée dans la soufflerie du LMFL. L’écoulement a été caractérisé pour plusieurs configurations de rampes afin de faire varier le gradient de pression. De plus, des simulations numériques directes avec et sans gradient de pression ont été effectuées pour étudier l’effet du gradient de pression sur les structures à grande échelle de l’écoulement.

Résultats de PIV sur un plan normal de 3.5m de longueur aligné avec l’écoulement au dessus de la rampe EUHIT installée dans la soufflerie du LMFL (champ de fluctuations de vitesse longitudinale).

3. ANR EXPLOIT (2018-2022)

EXPLOIT (Etude expérimentale des structures dissipatives en turbulence) est un projet conjoint avec le CEA Saclay. Les progrès récents de l’analyse mathématique des équations régissant les écoulements visqueux semblent indiquer qu’il existe un lien entre la mise à l’échelle de la dissipation dans un fluide turbulent et le développement des singularités. Cependant, on en sait très peu sur la dynamique et les statistiques des structures dissipatives correspondantes. Le projet EXPLOIT vise à fournir une caractérisation des structures de dissipation basée sur une analyse expérimentale d’un modèle d’écoulement turbulent à l’aide d’outils multi-échelles et de techniques de visualisation avancées (4D PTV) dans une expérience turbulente de taille métrique dédiée. Des simulations numériques hautement résolues sont également utilisées pour compléter les analyses et valider les outils d’analyse.

gauche : Trajectoires lagrangiennes issues de la mesure PTV dans un petit volume 3D d’un écoulement de van Karman. Droite: Ligne de courant de vitesse pour un événement «roll-vortex» extrait d’une DNS hautement résolue de turbulence isotrope (Nguyen et al, 2020)
4. ANR DYNEOL (2018-2022)

DYNEOL (DYNamique de la turbulence sur des profils EOLiens et hydroliens) est un projet conjoint avec les laboratoires CORIA, LEGI et PPRIME qui vise à quantifier le comportement dynamique de l’écoulement autour d’une pale en fonction de l’écoulement turbulent amont. Cet écoulement amont peut contenir différentes familles de structures cohérentes, ou peut présenter un cisaillement moyen dû à la présence d’une couche limite à grande échelle. Le profil peut lui-même peut être fixe ou en rotation. De telles situations sont représentatives des fermes éoliennes et hydrolienne. Cependant, ces phénomènes ne sont actuellement pas pris en compte dans les modèles de performance globale. Pour étudier les interactions de la turbulence amont avec la pale, une approche originale est suivie: des diagnostics optiques et des simulations haute fidélité seront appliqués à l’analyse du bilan énergétique cinétique conditionné. Les expériences à voilure fixe et à voilure tournante seront étudiées. Les PIV 2D et 3D seront comparés aux résultats de la simulation grandes écehelles pour évaluer les différentes approches et modéliser ces interactions. Une campagne de mesure PIV sera menée dans la soufflerie de la couche limite du LMFL.

5. Effet d’un forçage multi-échelle / fractal sur le décollement d’un écoulement turbulent (PhD 2019-2022)

Cette recherche expérimentale porte sur la séparation de l’écoulement d’une rampe descendante et vise à évaluer comment un nouveau dispositif de contrôle passif fractal / multi-échelle, peut modifier la région de recirculation, l’amplitude et la fréquence du recillement, le battement de la couche de cisaillement et le lâcher tourbillionnaire.

Haut: Configuration d’une expérience de marche descendante (BWFS). Vélocimétrie par images de particules (PIV) mesurant la séparation de l’écoulement dans l’axe de la soufflerie. Des dispositifs de contrôle d’écoulements passifs sont placés en amont de BWFS. Bas: Courbes représentant la région de recirculation de l’écoulement en aval de BWFS. Dispositifs de contrôle passif: courbe de base B, cas le plus simple L, première (S1), deuxième (S2) et troisième (S3) itérations fractales
6. Simulation en soufflerie d’une Couche Limite of Atmospheric (PhD 2020-2023)

La couche limite atmosphérique est un écoulement turbulent complexe caractérisé par une dynamique complexe due aux interactions entre turbulence, effets thermiques et topographie locale, influençant directement à la fois les processus naturels (météorologie, échanges océan-atmosphère, transferts de chaleur et d’eau) et les activités humaines (génie civil, éoliennes, dispersion des polluants, etc.). Il y a un besoin pressant de reproduire la couche limite atmosphérique à des échelles plus petites dans une soufflerie. Les dispositifs actuellement utilisés pour reproduire une couche limite atmosphérique réduite sont principalement dédiés à la reproduction d’une couche limite atmosphérique neutre (sans effets thermiques) et comprennent des dispositifs actifs et des combinaisons d’obstacles passifs en amont avec des éléments de rugosité, principalement conçus par essais et erreurs. Divers profils de vitesse moyenne ont été reproduits, mais il reste un défi de taille qui est de reproduire à la fois les profils de vitesse moyenne et d’intensité turbulente ou encore plus difficile, de reproduire en même temps les profils d’échelle de longueur intégrale. Ce projet de thèse aborde ces limites en développant de nouveaux dispositifs basés sur un nouveau concept de grilles non homogènes multi-échelles passives. Ces dispositifs ont eu un premier succès en permettant un contrôle indépendant des profils d’écoulement moyen et d’intensité turbulente. Le défi du projet consiste à reproduire en soufflerie des profils de turbulence représentatifs de la couche limite atmosphérique dans différentes conditions de stratification thermique (stable et instable), sans forçage thermique.


Visualisation schématique de l’utilisation d’une grille non homogène multi-échelle (Zheng et al. 2018) pour générer un écoulement turbulent représentatif de la couche limite atmosphérique (ABL) dans une soufflerie. L’accent est mis sur le profil de vitesse moyenne et les caractéristiques des principales fluctuations de vitesse turbulentes (échelles d’intensité et de longueur)