Organisation à grandes échelles de la turbulence de paroi

Large scale organization of wall turbulence

• Auteur / Autrice : Raoul Florent Dekou Tiomajou
• Direction : Michel Stanislas, Jean-Marc Foucaut
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 07/04/2016
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Lille
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique de Lille (LML) - Laboratoire de mécanique de Lille / LML
• Jury : Président / Présidente : Pierre Sagaut
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Paul Bonnet, Bérengère Podvin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vélocimétrie par images de particules

Optimisation des structures

Tourbillons (mécanique des fluides)

Approximation stochastique

Turbulence

Couche limite turbulente

Mots clés libres

Couche limite turbulente à hauts nombres de Reynolds

Structures cohérentes

Estimation Stochastique Linéaire

Méthodes de détection

High Reynolds numbers turbulent boundary layer

Coherent structures

Linear stochastic estimation

Detection methods

Résumé

Ce travail porte sur l’étude des structures cohérentes dans une couche limite de plaque plane à hauts nombres de Reynolds (Reθ=9830 et Reθ=19660). L'estimation Stochastique Linéaire est utilisée pour reconstruire un champ de vitesses résolu en espace et en temps à partir des mesures aux fils chauds à 30 KHz et des mesures PIV à 4 Hz. Une base de données DNS d’un écoulement de canal turbulent a été utilisée pour valider la procédure de reconstruction. Le champ de vitesse reconstruit est comparé à un champ de référence extrait de la DNS avec la visualisation des contours du champ de vitesse, l’analyse spectrale, les corrélations, etc. Par ailleurs, une analyse statistique est réalisée sur le champ de PIV originale, les données issues des fils chauds et celles reconstruites. Les résultats obtenus sont comparés à ceux de Carlier et Stanislas (2005) qui servent de référence. Des algorithmes ont été développés pour extraire les structures cohérentes du champ reconstruit. Les régions de vitesse uniforme sont caractérisées avec leur diamètre hydraulique, leur durée de vie et leur contribution aux tenseurs de Reynolds. Pour les tourbillons, on leur associe un rayon, une circulation et une vorticité en plus de leur durée de vie et leur nombre calculé à une distance fixe de la paroi. L’organisation spatiale des structures est étudiée avec la corrélation de leurs fonctions indicatives. Le modèle simplifié à grandes échelles qui en découle est comparé à ceux qui existent dans la littérature

This study lies in the context of large scale coherent structures (uniform momentum regions and vortical motions) investigation in a near wall turbulent boundary layer at high Reynolds numbers (Reθ=9830 and Reθ=19660). With a Linear Stochastic Estimation procedure based on correlations computation, a full time-resolved 3 component field is reconstructed at high frequency from stereo-PIV at 4 Hz and hot wire data at 30 kHz . A DNS database of turbulent channel flow was used to validate the reconstruction method. To evaluate the quality of the method, reconstructed velocity fluctuations are compared to refence ones extracted directly from the DNS database. Furthermore, a statistical analysis is performed on HWA, PIV and LSE velocity fields. The results obtained are compared to those from Carlier and Stanislas (2005). Algorithms were developed to extract coherent structures from the reconstructed field. Uniform momentum regions are characterized with their mean hydraulic diameter in the YZ plane, their life time and their contribution to Reynolds stresses. The vortical motions are characterized by their position, radius, circulation and vorticity in addition to their life time and their number computed at a fixed position from the wall. The spatial organization of the structures was investigated through a correlation of their respective indicative functions in the spanwise direction . The simplified large scale model that arised is compared to the ones in the literature