Études fondamentales sur le mélange stratifié – STRATIMIX

Les écoulements géophysiques et industriels sont souvent confrontés à des fluides inhomogènes en température ou en concentration d'espèces chimiques. Lorsque ces deux quantités influent de manière significative sur la masse volumique du fluide, on observe fréquemment l'établissement d'une stratification stable en densité. Dès lors, on peut se demander comment les transferts de masse, notamment par la turbulence, sont affectés par cette stratification. Lors du mélange dans un fluide stratifié, une partie de l'énergie cinétique injectée est transférée en énergie potentielle, le reste étant dissipé. Quelle est l'efficacité de ce mélange, et comment celui-ci est-il influencé par la stratification, le forçage ou la diffusivité du traceur actif ? Le but de ce projet est de contribuer à l'avancée des recherches dans le domaine du mélange stratifié en concevant des expériences de laboratoire et numériques innovantes. Il s'agit tout d'abord de réaliser, par le biais d'expériences de laboratoire, un bilan énergétique global pour le mélange complet d'un fluide stratifié en volume fermé. Un soin particulier sera apporté à la mesure de la stratification et à la quantification de l'énergie mécanique injectée dans le système. Dans un second temps, nous réaliserons sur le même dispositif des mesures locales de la dynamique du mélange à l'aide des méthodes de visualisation les plus récentes (PIV/PLIF). Ces mesures locales permettront de caractériser les propriétés statistiques du mélange turbulent dans les fluides stratifiés, comme la PDF des fluctuations de densité. Nous considérerons enfin le cas d'un fluide stratifié dans un système "ouvert" en étudiant l'évolution d'un profil de densité stable dans un canal hydrodynamique stratifié en sel. Ces résultats expérimentaux seront comparés aux modèles existant pour la diffusivité turbulente en présence de stratification, qui sont encore discordants suivant les communautés. Nous proposons également de généraliser aux fluides stratifiés les modèles de mélange par convolution, initialement proposés pour des traceurs passifs dans un écoulement turbulent homogène isotrope. L'ensemble de ce travail expérimenal sera complété par des simulations numériques directes haute résolution en lien direct avec les expériences. Ces simulations, validées à partir des données expérimentales, les compléteront en retour en élargissant la gamme de paramètres atteignables au laboratoire. Ce projet, qui regroupe plusieurs jeunes chercheurs du LMFA et de l'ENS de Lyon, témoigne du dynamisme de ses participants et s'intègre dans la politique scientifique et éducative de son laboratoire d'accueil.