Introduction
GDR "Structure de la Turbulence et Mélange"
2005 - 2008
Comité Scientifique:
- Fabien Anselmet (IRPHE, Marseille)
- Olivier Cadot (ENSTA, Palaiseau)
- Luminita Danaila (Coria, Rouen)
- Yves Gagne (LEGI, Grenoble)
- Alain Noullez (Cassiopée, Nice)
- Philippe Petitjeans (PMMH - ESPCI, Paris)
- Jean-François Pinton (ENS Lyon)
Directeur:
Philippe Petitjeans
PMMH - ESPCI
10, rue Vauquelin
75231 Paris cedex 05
Tel: 01 40 79 44 95 Fax: 01 40 79 45 23
e-mail: phil@pmmh.espci.fr
Départements CNRS et Sections:
Département principal: ST2I
Section principale: 10
Sections secondaires: 2 (SPM), 13 (SDU)
Historique:
Histoire du GDR
Préambule:
Ce GDR "Structure et Mélange en Turbulence" a pour (principal) objet de maintenir et d'élargir
en France une communauté sur la turbulence qui est, et qui doit continuer à être reconnue
internationalement comme l'une des meilleures et des plus productives. Le précédent GDR
(1) sur le sujet est typiquement l'exemple d'un GDR
qui a produit beaucoup et qui a su créer, maintenir et élargir peu à peu un réseau d'excellence,
de transfert de connaissances vers les jeunes générations, et de motivation pour un sujet
relativement ingrat mais indispensable si l'on souhaite maintenir une qualité dans les
connaissances des écoulements turbulents en vue de la prévision et du contrôle.
En effet, on peut affirmer que c'est une nécessité nationale de maintenir la compétence
française dans ce domaine dans les années à venir afin d'être présents et compétents
au moment ou des évènements futurs vont imposer de remettre des moyens conséquents
dans cette activité (prévision des écoulements, contrôle dans le cadre de la diminution des
pertes d'énergie et du sillage derrière les gros avions type A3XX par exemple, etc...).
Dans un passé récent, un exemple typique de ce transfert à long terme entre recherche
fondamentale et utilisation de techniques mises au point dans un cadre fondamental pour
des problèmes pratiques a été donné par la méthode de modélisation dite de gaz sur réseaux.
En effet, loin des motivations qui l'ont tout d'abord vue naître, cette méthode se révèle
maintenant comme l'une des plus performantes pour prévoir de façon précise, dans l'industrie
automobile, le point de recollement derrière un véhicule, et donc la valeur du Cx qui lui est associé.
Ce nouveau GDR permettra donc de poursuivre et de générer des contacts entre les différentes
équipes françaises qui travaillent dans le domaine de la turbulence.
Par ailleurs, il se devra aussi d'étendre son réseau à diverses thématiques plus appliquées,
dans les cas où la turbulence est le point dur clef. Il s'agit en particulier du mélange turbulent
(et donc à la turbulence du scalaire passif ou du mélange chaotique). C'est sous l'aspect
fondamental que le mélange turbulent sera abordé, et non pas en fonction des applications
correspondantes.
Ainsi, ce GDR devra réunir deux communautés issues d'écoles différentes: les physiciens
et les mécaniciens. C'était l'une des grandes réussites du précédent GDR; il ne faut pas que
ces communautés se séparent à nouveau faute d'une structure souple qui maintiendrait cette
cohésion. De même, la poursuite d'un dialogue complémentaire (et non pas concurrent) entre
les numériciens et les expérimentateurs constitue là aussi le ciment structurel de ce type de GDR.
Objectif scientifique
Une des propriétés remarquable de la turbulence réside dans sa capacité à mélanger, avec une
rapidité extraordinaire, un vecteur ou un scalaire transporté. Le mélange des scalaires
(par exemple, température, humidité, substance chimique réactive ou non-réactive) en fluide
turbulent est d'une importance capitale pour tout un ensemble de phénomènes, et en particulier
pour ceux reliés à l'environnement: le transport de température et d'humidité dans l'atmosphère,
la propagation atmosphérique d'ondes radio, la circulation océanographique (les deux scalaires
importants étant le sel et la température), la dispersion des polluants dans l'environnement...
Outre l'aspect fondamental de telles études, d'autres motivations plus appliquées - comme en
combustion, en océanographie, en dynamique de l'atmosphère ou pour le développement de
nouvelles approches de modélisation sous-maille justifient également l'intérêt soutenu de la c
ommunauté des thermiciens, des mécaniciens des fluides et des physiciens en général.
De plus, les 'techniques turbulence' sont maintenant exportées vers d'autres sujets chauds :
les granulaires, la biophysique, etc.
L'objectif de ce nouveau GDR sera en particulier d'aborder les problèmes suivants et de
générer des collaborations entre les équipes participantes. Mentionnons que cette liste de
problèmes et questions n'est pas exhaustive.
Rôle des structures cohérentes dans les écoulements turbulents:
Le rôle des structures cohérentes dans les écoulements turbulents et leur contribution
aux propriétés énergétiques globales, comme l'énergie et la puissance instantanée, reste
un problème non résolu. L'étude de ces structures et de leurs instabilités occupe plusieurs
équipes. De même, de plus en plus d'équipes dans le monde s'intéressent aux structures fines
de la turbulence dans l'objectif de mieux comprendre les mécanismes de transfert d'énergie
pour mieux prévoir et contrôler ce type d'écoulement. De nouveaux modèles de vortex ont
vu le jour et certains mécanismes d'instabilités ont été étudiés en détails (instabilité elliptique
par exemple). Il semble évident que la mise en commun de ces compétences lors de réunions
du GDR serait particulièrement profitable à ces équipes.
Techniques de mesure
La PIV résolue en temps, c'est-à-dire avec des fréquences d'acquisition de l'ordre du kHz
est en train de se développer. Il va falloir aussi vérifier que les particules restent des traceurs
dans ces écoulements turbulents où leur inertie doit peut-être être prise en compte.
Ce nouvel outil, lorsqu'il sera disponible dans les laboratoires permettra une avance
significative dans les études expérimentales.
Ce GDR pourrait avoir un rôle clé à jouer dans ce domaine en favorisant les échanges
entre les différents communautés.
Dans le même ordre d'idée, les caméras rapides disponibles actuellement qui permettent
des études de la turbulence du scalaire pourraient là encore apporter un saut quantitatif
non négligeable dans la compréhension et la modélisation de ces écoulements.
L'utilisation de l'acoustique comme moyen de mesure non intrusif et de haute fréquence
d'acquisition a produit des résultats très intéressants durant ces dernières années.
De même, l'étude des interactions son - vorticité est aussi en plein essor.
Turbulence Lagrangienne et dispersion dans un milieu turbulent complexe
Notons qu'actuellement il existe très peu de bonnes mesures lagrangiennes, alors
que la communauté de la turbulence s'intéresse de plus en plus au transport et à
la dispersion des particules dans un repère lagrangien. En particulier, il a été
constaté (expérimentalement et numériquement) que la vitesse, les échelles et
les temps caractéristiques de la vitesse, de l'accélération et d'autres variables,
sont différentes en lagrangien et en eulérien. Dans ce contexte, il est actuellement
nécessaire de continuer les études expérimentales de la turbulence lagrangienne
(en s'intéressant à plusieurs composantes, par exemple) et de comprendre ces
comportements d'un point de vue théorique/analytique, avec des retombées sur
l'estimation des différentes échelles caractéristiques du mélanges, du temps de mélange etc.
Le point de vue lagrangien est aussi très utile dans la compréhension de la dispersion
et du mélange, par exemple d'un polluant émis dans le sillage d'un véhicule automobile.
Des études développées en toxicologie ont montré l'effet significatif de l'intensité de ces
fluctuations sur la réponse des organismes vivants exposés, en raison du caractère
non-linéaire de la relation dose-effet. Par ailleurs, il est également établi que les
caractéristiques du mélange d'un contaminant peuvent conditionner le rendement
de certaines réactions chimiques, à l'origine de polluants secondaires. Il est donc
particulièrement important de caractériser le niveau des fluctuations de concentration
du contaminant émis.
Micromélange pour les nouveaux systèmes de combustion
La caractérisation fine et précise du mélange air/carburant, en liaison avec une meilleure
combustion turbulente, a pris dernièrement une importance particulière, en raison du coût
élevé du combustible, des impératifs d'économie et d'émissions polluantes qui en résultent.
Dans ce sens, il est nécessaire de mieux comprendre les propriétés du micromélange, i.e.
du mélange aux petites échelles, où les réactions chimiques qui constituent la combustion ont lieu.
Bien des questions restent ouvertes afin de caractériser les écoulements réactifs ; à titre
d'exemple, l'alignement du gradient de fraction de mélange avec les directions propres de
l'étirement, en contrôlant l'évolution de la dissipation scalaire, conditionne étroitement le
processus chimique dans les flammes turbulentes non-prémélangées.
Ce GdR a comme vocation, en partie, d'effectuer et d'appliquer des éléments de recherche
fondamentale, afin de contribuer à l'amélioration du rendement de combustion et à la réduction
des émissions de polluants, dans des concepts récents de moteurs.
La compréhension du mélange et de son interaction avec les processus chimiques présente
donc un enjeu majeur, puisque c'est le facteur déterminant la qualité de la combustion.
Ainsi, des expériences, des simulations numériques et des modèles doivent être entrepris
rapidement, afin d'élucider bien des aspects peu connus sur le mélange turbulent.
Il est également nécessaire d'aborder la détermination des différentes grandeurs statistiques
caractérisant les petites échelles de la turbulence. Il faudra tester leur impact,
à travers le temps de mélange, sur les modèles de micro-mélange.
Notons finalement qu'un diagnostic correct et quantitatif des petites échelles
dans un mélange turbulent pourrait servir aux techniques de simulation numérique LES,
dans le cadre de la modélisation sous-maille.
Structure fine de la turbulence
D'une manière plus fine, il est connu actuellement que l'alignement local du gradient de
scalaire avec les directions propres de l'étirement, en contrôlant l'évolution de la dissipation
scalaire, conditionne étroitement le processus chimique dans les flammes turbulentes.
Des équations d'évolution de différentes grandeurs statistiques (d'ordre supérieur)
du gradient scalaire peuvent être testées en utilisant les données expérimentales.
A partir de là, une attention particulière mérite d'être accordée au taux moyen de
dissipation de la variance du scalaire et à son caractère localement anisotrope.
Si l'influence individuelle de chaque mécanisme (étirement, rotation ou diffusion moléculaire)
peut être étudiée formellement dans des configurations 'modèles', en revanche, leur
combinaison dans le cas d'un scalaire transporté par un écoulement turbulent quelconque,
éventuellement à masse volumique variable, induit des scénarii complexes. Avant de passer
à l'étude analytique et la modélisation du transport dans ces milieux à densité variable, il est
souhaitable d'effectuer des expériences complexes, dans lesquelles le scalaire (température,
ou richesse) soit transporté par un champ de vitesse à densité variable.
Une comparaison entre le comportement du scalaire dans un milieu turbulent iso-volumique
et celui dans un milieu à densité variable présente également un intérêt certain.
Turbulence anisotrope et turbulence de paroi
La couche limite turbulente est étudiée très en détail dans la mesure où son intérêt pour la modélisation
des échanges à la paroi dans un écoulement turbulent est là encore un sujet très porteur.
Par ailleurs, ne serait-ce que dans l'optique du contrôle d'écoulement (contrôle du décollement
d'une couche limite turbulente, contrôle de l'émission tourbillonnaire derrière un véhicule, etc...),
ce sujet nécessite une approche systématique précise et documentée par les techniques les plus
modernes pour résoudre en temps et en espace le champ de vitesse dans la région proche de la paroi.
Qu'il s'agisse des écoulements dans la couche limite atmosphérique ou dans les mers et les océans,
une caractéristique commune de ces écoulements est la présence d'un fort cisaillement, qui les rend
fortement anisotropes. Nous sommes ainsi souvent amenés à étudier un mélange créé dans un
écoulement anisotrope, cisaillé. Ce mélange est présent dans les zones proches des parois d'une
chambre de combustion par exemple, où des couches limites se développent, en engendrant de
fortes anisotropies. Les problèmes sont nombreux, et différentes approches analytiques trouvent
leurs limites dans ce cas. Les études expérimentales, de plus en plus précises grâce à l'émergence
de nouvelles techniques, peuvent permettre la quantification de certaines grandeurs difficilement
accessibles par des approches analytiques. Par ailleurs, la modélisation doit jouer un rôle
complémentaire de l'expérience.
Encore une fois, cette liste de thèmes n'est pas exhaustive.
Une ouverture vers l'astrophysique et l'océanographie est également souhaitée, comme
celle qui s'est peu à peu développée lors du précédent GDR.
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