Instrumentation Lagrangienne en Turbulence : Mise en œuvre et Analyse

Lagrangian instrumentation in Turbulence : Implementation and Analysis

• Auteur / Autrice : Yoann Gasteuil
• Direction : Jean-François Pinton
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : École normale supérieure (Lyon ; 1987-2009)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement d'images

Turbulence

Mots clés libres

Intermittence

Convection de Rayleigh-Bénard

Dynamique Lagrangienne

Instrumentation embarquée

Résumé

Le but de ce travail de thèse est l'étude expérimentale de la turbulence du point de vu lagrangien. Pour ce faire, nous avons développé une nouvelle technique de mesure. Nous avons mis au point des sondes instrumentés, enfermées dans coquilles sphériques de 1. 5-2 cm de diamètre. Elles comprennent une pile, un circuit électronique, des capteurs et une liaison radiofréquence pour la récupération de données. L'ensemble est de la même densité que le fluide environnant (eau). Le premier instrument mesure la température et a été utilisé dans la convection de Rayleigh-Bénard. Nous avons obtenu une vision inédite du rôle des panaches thermiques dans le transport de chaleur. Afin d'étudier les forces imposées sur un objet advecté par un fluide turbulent, nous avons développé un second instrument, mesurant l'accélération tridimensionnelle subie par la sonde. Des mesures ont été effectuées dans des écoulements de von Kármán ainsi que dans un écoulement de Couette sphérique de grande taille à l'université du Maryland. Ces études soulèvent la question de la dynamique à six degrés de liberté - rotation et translation - d'une sphère advectée dans un écoulement turbulent. Ces propriétés ont été étudiées par un suivi optique de position et d'orientation. La dynamique de translation est étonnamment proche de celle d'un traceur lagrangien et la dynamique angulaire présente une intermittence très importante.

The aim of this PhD thesis is the experimental study of turbulence from a Lagrangian point of view. To do so, we have designed a new measurement based on the use of active instrumented probes. We have developed ''instrumented particles'' in the form of spherical shells with a diameter of 1. 5-2 cm. They include a battery, an electronic circuit, sensors and a radio frequency transmitter as a data link to the lab. The whole system is neutrally buoyant with respect to the surrounding fluid (water). The first instrumented particle includes a temperature measurement and has been used in a Rayleigh-Bénard convection cell. It gives an original insight on the role of thermal plumes in the transport of heat. In view of studying forces on objects advected by turbulent flows, a second probe has been designed which includes a 3-dimensional measurement of the acceleration of the sphere. Measurements have been made in a von Kármán flow, and also in a very large spherical Couette flow at the University of Maryland. These studies have raised the question of the 6-dimensional dynamics - translation and rotation - of a sphere advected by a turbulent flow field. This issue has been addressed in detail from optical tracking of the sphere positions and orientations. The dynamics of translation is found to be surprisingly similar to that of Lagrangian tracer particles and the dynamics of orientation has revealed a surprisingly high level of intermittency.