Fluctuations in turbulent flows

par Gaurav Prabhudesai

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Stéphan Fauve et de François Petrelis.

Soutenue le 17-02-2021

à l'Université Paris sciences et lettres , dans le cadre de Physique en Île de France , en partenariat avec Laboratoire de physique de l'ENS (Paris ; 2019-....) (laboratoire) , École normale supérieure (Paris ; 1985-....) (établissement de préparation de la thèse) et de Équipe de recherche Physique non-linéaire (Paris) (équipe de recherche) .

  • Titre traduit

    Fluctuations dans des écoulements turbulents


  • Résumé

    Dans cette thèse, nous étudions les fluctuations de vitesse et de température dans un écoulement turbulent, et leurs implications sur la propagation d’ondes acoustiques en turbulence. La première partie est consacrée à l’étude de la génération spontanée de fluctuations de température par un écoulement turbulent. Nous démontrons que ces fluctuations de température proviennent de deux types de structures intermittentes, les filaments de vorticité et les structures dissipatives. Dans la seconde partie, nous étudions les fluctuations spatio-temporelles de la vitesse, en utilisant la fonction de cohérence. Nous démontrons que la fonction de cohérence résulte d’un balayage des fluctuations de vitesse dans la gamme inertielle par les fluctuations plus lentes de l’échelle intégrale. L’effet du balayage est particulièrement intéressant pour l’étude des écoulements turbulents, car il ne rentre pas dans le cadre de la théorie K41 de Kolmogorov. Enfin, nous étudions la propagation d’ondes acoustiques à travers un écoulement turbulent, et en particulier les fluctuations de phase et d’amplitude. Nous montrons que les fluctuations de phase peuvent être déduites de la fonction de cohérence des fluctuations de vitesse. Ces fluctuations résultent ainsi d’un effet de balayage de l’onde acoustique par l’écoulement turbulent. Nous mesurons également la variation de la vitesse du son induite par un effet de diffusion multiple par l’écoulement turbulent.


  • Résumé

    In this thesis, we study the velocity and temperature fluctuations in a turbulent flow and their implications on the propagation of acoustic waves in turbulence. The first part is devoted to the study of the spontaneous generation of temperature fluctuations by a turbulent flow. We demonstrate that these temperature fluctuations originate from two types of intermittent structures, vorticity filaments and dissipative structures. In the second part, we study the spatio-temporal fluctuations of velocity, using the coherence function. We demonstrate that the coherence function results from the sweeping of the velocity fluctuations in the inertial range by the slower fluctuations of the integral scale. The sweeping effect is particularly interesting for the study of turbulent flows, because it does not come within the scope of Kolmogorov’s K41 theory. Finally, we study the propagation of acoustic waves through a turbulent flow and in particular phase and amplitude fluctuations. We show that phase fluctuations can be deduced from the coherence function of turbulent speed fluctuations. These fluctuations thus result from a sweeping effect of the acoustic wave by the turbulent flow. We also measure the variation in the speed of sound induced by a multiple scattering effect of the turbulent flow.


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