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Étude quantitative d’un écoulement de Couette plan : états turbulents et transitions – QANCOUET

Résumé de soumission

La turbulence est l’un des derniers pans de la physique « classique » qui n’est pas encore complètement compris malgré les efforts constants des chercheurs et des ingénieurs tout au long du vingtième siècle. Son imprédictibilité à long terme et son omniprésence dans la vie quotidienne et dans les activités humaines ont motivé de nombreuses études qui bénéficient souvent des interactions de diverses approches alliant la mécanique à des concepts mathématiques impliquant l’utilisation des systèmes dynamiques, des descriptions statistiques voire de la mécanique statistique.

L’étude des écoulements est souvent motivée par les nombreuses instabilités qui s’y développent quand on augmente le cisaillement de l’écoulement. Dans ce contexte, le nombre de Reynolds est le paramètre de contrôle naturel (Re=VL/?, V et L sont une vitesse et une longueur typiques, ? la viscosité cinématique du fluide). D’après les analyses de stabilité linéaire, les écoulements présentant un point d’inflexion dans leur profil de vitesse se déstabilisent via des scénarios supercritiques et deviennent turbulents pour une valeur finie du paramètre de contrôle. D’un autre côté, les écoulements « sans point d’inflexion » sont en général linéairement stables jusqu’à de grandes valeurs de Re. Malgré cela, pour de faibles valeurs de Re, on y observe souvent des transitions complexes à la turbulence faisant intervenir la coexistence de domaines laminaires et turbulents dans des scénarios sous critiques. L’écoulement de Couette plan (pCf) et l’écoulement de Poiseuille en conduite appartiennent à cette dernière catégorie et sont l’objet de recherches actives. «Les écoulements sous critiques» revêtent un intérêt particulier d’un point de vue industriel (transports d’hydrocarbures, transitions dans la couche limite…) mais ils sont également très étudiés d’un point de vue fondamental. Ces deux écoulements modèles ont été largement utilisés pour l’étude des transitions vers et depuis la turbulence et récemment, une controverse internationale a vu le jour sur la nature transitoire ou non de la turbulence dans la configuration de Poiseuille. Si les mécanismes mis en jeu dans les transitions sous critiques à la turbulence ne sont pas encore totalement compris, ces dernières années, de nombreuses études numériques ont permis la découverte d’états cohérents : états stationnaires, « travelling waves », orbites périodiques. En ce qui concerne l’écoulement de Couette plan, force est de constater l’absence d’un dispositif expérimental actif pour contrebalancer les efforts numériques grandissant mis en œuvre, ce qui nous conduit aux interrogations suivante :
• La turbulence est-elle de nature transitoire dans le système plus étendu de Couette plan?
• Comment un travail expérimental peut-il être associé aux études numériques pour comprendre les mécanismes associés aux transitions complexes ayant lieu dans les écoulements de Couette entre différents états turbulents?
• Comment un formalisme de mécanique statistique peut-il nous aider à comprendre ces transitions?

Ce projet vise à mettre en place un écoulement de Couette plan expérimental pour participer à ces débats. Mêmes si les études expérimentales antérieures ont permis d’avoir un bon aperçu des transitions et de la dynamique spatio-temporelle du pCf, des mesures de vitesse quantitatives et des analyses statistiques poussées font encore défaut.
Comprendre les mécanismes mis en jeu dans les transitions est une des motivations premières de ce projet et nécessite l’obtention de larges échantillons statistiques d’observations. Nous prévoyons l’utilisation d’un système versatile permettant des visualisations à haute résolution spatiale et temporelle et des mesures de vélocimétrie par imagerie de particules stéréoscopique pour mener à bien ce projet sur un dispositif soigneusement conçu pour permettre un bon contrôle des paramètres de contrôle sur de longues observations.

Coordination du projet

romain MONCHAUX (ECOLE NATIONALE SUPERIEURE DES TECHNIQUES AVANCEES) – monchaux@ensta.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

ENSTA-ParisTech ECOLE NATIONALE SUPERIEURE DES TECHNIQUES AVANCEES

Aide de l'ANR 169 890 euros
Début et durée du projet scientifique : - 36 Mois

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