Transport and mixing in homogeneous and confined turbulent flows

• Auteur / Autrice : Benjamin Maurice Antoine Kadoch
• Direction : Kai, Bernd Schneider
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et physique des fluides
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Aix-Marseille 1
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Provence. Section sciences

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tourbillons (mécanique des fluides)

Écoulement bidimensionnel

Ondelettes

Turbulence

Résumé

Cette thèse porte sur le transport et le mélange dans des écoulements turbulents. L’influence des parois sur le transport lagrangien et le mélange de scalaire passif dans un écoulement turbulent bidimensionnel est d’abord étudiée. Une géométrie carrée avec des conditions aux limites bipériodiques et une géométrie circulaire avec des conditions de non glissement pour la vitesse et de flux nul pour le scalaire à la paroi sont alors considérées. Des simulations numériques directes avec des méthodes de pénalisation implémentées dans un code pseudo-spectral sont utilisées pour prendre en compte les différentes conditions aux limites. Cette étude montre que la création de tourbillons à la paroi a une forte influence sur les statistiques lagrangiennes, notamment avec des valeurs extrêmes de l’accélération dans les cas confinés. De plus, le mélange du scalaire est plus important dans la géométrie confinée que dans la géométrie bipériodique. D’autre part, les méthodes numériques utilisées sont étendues aux cas d’obstacles mobiles. Ensuite, le rôle des structures tourbillonnaires dans le mélange de scalaire passif dans une turbulence homogène isotrope tridimensionnelle est étudié via un filtrage non linéaire de la vorticité en base d’ondelettes (Coherent Vortex Extraction). Cette méthode montre que les structures tourbillonnaires sont responsables de la dynamique de l’écoulement et du mélange de scalaire. Enfin, des écoulements turbulents forcés en présence d’un gradient moyen de scalaire sont décrits d’un point de vue spectral et lagrangien, avec une attention particulière porté sur l’intermittence.

This subject of this thesis is the transport and mixing in turbulent flows. First, the influenceof walls on the Lagrangian transport and mixing of passive scalars in turbulenttwo-dimensional flows is investigated. Two distinct geometries are considered by meansof direct numerical simulation: a biperiodic domain and a circular domain with no-slipboundary conditions for velocity and zero flux for the scalar. A penalization method allowsto take into account boundary conditions, in a classical pseudo-spectral code. Thisstudy shows that the creation of vorticity at the wall strongly influences the Lagrangianstatistics. In particular, extreme values of Lagrangian acceleration appear in confinedflows. Moreover, mixing is more pronounced in the confined case than in the periodiccase. The numerical methods used are then extended to the case of moving obstacles. Furthermore, the role of vortical structures on mixing of passive scalars in isotropic homogeneousthree-dimensional turbulence is studied by using a technique based on nonlinearfiltering of vorticity in a wavelet basis (Coherent Vortex Extraction). This methodshows that vortical structures are responsible for the flow dynamics and mixing of thescalar. Finally, statistically stationary turbulent flows in the presence of a mean scalargradient are described using spectral and Lagrangian analysis, with a particular focus on intermittency.