Transferts anisotropes d'énergie en turbulence en rotation et excitation de modes d'inertie

Anisotropic energy transfers in rotating turbulence and inertial modes excitation

• Auteur / Autrice : Cyril Lamriben
• Direction : Frédéric Moisy, Pierre-Philippe Cortet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 12/07/2012
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Modélisation et Instrumentation en Physique, Energie, Géosciences et Environnement (Orsay, Essonne ; 2010-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Fluides, automatique et systèmes thermiques (Orsay, Essonne ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Fabien Godeferd
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Moisy, Pierre-Philippe Cortet, Fabien Godeferd, Luminita Danaila, Michael Le Bars, Caroline Nore
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Luminita Danaila, Michael Le Bars

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbulence

Mots clés libres

Turbulence

Fluides en rotation

Modes d'inertie

Libration

Turbulence

Rotating fluids

Inertial modes

Libration

Résumé

Nous présentons une étude expérimentale de l'influence d'une rotation d'ensemble sur le déclin d'un écoulement turbulent dans une géométrie confinée. L'écoulement est généré en translatant rapidement une grille dans un récipient parallélépipédique, et nous mesurons les champs de vitesse dans un plan vertical (parallèle à l'axe de rotation) grâce à un dispositif de PIV embarqué. Nous montrons dans un premier temps qu'une partie significative de l'énergie est contenue dans un écoulement moyen reproductible, qui s'identifie à une superposition de modes d'inertie résonnants de la cuve. Le couplage possible entre cet écoulement et la turbulence suggère que la turbulence ainsi créée n'est pas en déclin libre. Nous montrons cependant qu'il est possible d'inhiber l'apparition de ces modes d'inertie en modifiant les caractéristiques géométriques de la grille. Cette nouvelle configuration permet alors de caractériser dans l'espace physique les transferts d'énergie pour une turbulence en déclin libre. L'énergie associée aux incréments de vitesse et la densité de flux d'énergie sont calculées à partir d'un grand nombre de réalisations indépendantes. Nous montrons que la rotation provoque une forte bidimensionalisation de la distribution d'énergie, et que celle-ci est contrôlée par une densité de flux d'énergie qui reste quasi-radiale, mais qui fait apparaître une dépendance angulaire marquée. Enfin, nous étudions également l'écoulement dans un cube, que nous soumettons à une libration longitudinale afin d'exciter les modes observés initialement avec le dispositif de turbulence de grille. En comparant les champs de vitesse expérimentaux aux prédictions numériques des modes inviscides, nous montrons que seul un certain nombre de modes, compatibles avec les symétries du forçage, peuvent être excités par libration. Nous caractérisons en particulier la résonance du mode de plus bas ordre compatible avec les symétries du forçage, et discutons du rôle de la viscosité.

We investigate the effect of a backgroung rotation on the decay of a turbulent flow in a confined geometry. Turbulence is generated by rapidly towing a grid in a parallelepipedic water tank. The velocity fields of a large number of independent decays are measured in a vertical plane parallel to the rotation axis using a corotating Particle Image Velocimetry system. We first show that a significant amount of the kinetic energy is stored in a reproducible flow composed of resonant inertial modes. The possible coupling between these modes and turbulence suggests that turbulence cannot be considered as freely decaying in this configuration. We demonstrate however that these inertial modes may be reduced by changing the geometrical features of the grid. Thanks to this new configuration, anisotropic energy transfers in freely decaying turbulence in a rotating frame can be characterized experimentally in the physical space. The anisotropic energy flux density is determined from large data sets of Particle Image Velocimetry measurements. We show that in the presence of a background rotation, the energy distribution reflects a trend towards a 2D flow. This anisotropy is proved to be essentially driven by a nearly radial, but orientation-dependent, energy flux density. We also analyze the flow in a cubic container submitted to a longitudinal libration in order to generate inertial modes that were originally observed when the "simple" grid was used. By comparing the measured flow fields to the expected inviscid inertial modes, we show that only a subset of inertial modes, matching the symmetries of the forcing, may be excited by the libration. We characterize in particular the resonance of the mode of lowest order compatible with the symmetries of the forcing, and discuss the role of the viscosity.