Turbulence et réduction de trainée

Turbulence and drag reduction

• Auteur / Autrice : Clément Tiffon
• Direction : Hamid Kellay
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Inscription en doctorat le 18/09/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Ondes et Matière d'Aquitaine
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Matière molle et biophysique

Mots clés

Mots clés libres

Turbulence

Force de traînée

Couche limite

Fluide complexe

Matière molle

Polymères

Turbulence

Drag force

Boudary layer

Complexe fluid

Soft mater

Polymers

Résumé

Les propriétés macroscopiques des écoulements turbulents sont essentielles pour concevoir des ouvrages hydrauliques et des usines de traitement des eaux, pour évaluer les risques liés aux inondations et aux ouragans, pour évaluer les effets environnementaux des polluants et des matières organiques transportés par l'eau. Les principales propriétés d'intérêt à des fins pratiques sont la traînée de frottement subie par un écoulement le long d'une paroi et le profil de vitesse moyenne de l'écoulement dans un pipeline. Le spectre d'énergie turbulente des fluctuations de vitesse, d'autre part, est représentatif des statistiques à petite échelle de l'écoulement et a des caractéristiques universelles comme l'a fait remarquer Kolmogorov il y a des décennies. Le lien, s'il existe, entre ces deux volets est resté inexploré. Ce lien joue un rôle fondamental en physique statistique où les grandeurs macroscopiques sont déterminées par les fluctuations mais n'a pas de précédent dans la turbulence. Ce n'est que récemment que des travaux expérimentaux et théoriques ont commencé à tenter de démêler la nature de ce chaînon manquant dans la turbulence en mettant l'accent sur le cas courant et économiquement intéressant de la traînée de frottement dans les écoulements turbulents dans les tuyaux et les canaux. Lier ces deux brins de turbulence représente une étape majeure et ouvre de nouvelles possibilités dans le contrôle de la réponse macroscopique en ajustant les propriétés statistiques des écoulements turbulents, notamment en utilisant des additifs tels que des polymères, des tensioactifs ou des bulles d'air. Le présent projet contribuera à cet effort et, en particulier, au problème de longue date de la réduction de la traînée turbulente par les polymères. Ce projet concerne l'interaction entre les fluctuations et la traînée macroscopique dans un système développé dans notre laboratoire utilisant des canaux de film de savon de grandes dimensions. Le travail à la fois sur les canaux lisses et les canaux rugueux sera essentiel pour déterminer les principaux ingrédients de la traînée turbulente et son lien avec la nature des fluctuations. Une partie importante du projet concernera la réduction de la traînée par les polymères. Différents types de polymères seront utilisés en fonction de leur flexibilité et de leur longueur. Le suivi des particules et la vélocimétrie laser Doppler seront utilisés pour caractériser les champs de vitesse et de contrainte des écoulements turbulents dans de tels canaux avec et sans l'ajout d'agents réducteurs de traînée. Le travail est couplé à des Simulations Numériques Directes réalisées dans notre Laboratoire Partenaire, l'IMB de l'Université de Bordeaux.

This work is part of a collaborative ANR project LIFT in collaboration with P. Fischer from IMB of the University of Bordeaux. The PhD work will be supervised by H. Kellay in collaboration with J. F. Boudet and T. Barois in the research group Instabilités et Turbulence of the team Matière Molle et Biophysique of Laboratoire Ondes et Matière d'Aquitaine (UMR 5798 CNRS/U. Bordeaux) located in the Talence campus of Université de Bordeaux. There are significant gaps in the fundamental understanding of turbulent flows. Two aspects of such flows have been the subjects of extensive, but separate, research efforts: their macroscopic properties and their turbulent spectrum. The macroscopic properties of turbulent flows are essential to design hydraulic structures and water-treatment plants, to assess the hazards associated with floods and hurricanes, to evaluate the environmental effects of water-borne pollutants and organic matter. The key properties of interest for practical purposes are the frictional drag experienced by a flow past a wall and the mean velocity profile of the flow in a pipeline. The turbulent energy spectrum of the velocity fluctuations on the other hand is representative of the small-scale statistics of the flow and has universal features as remarked by Kolmogorov decades ago. The link, if any, between these two strands has remained unexplored. This link plays a fundamental role in statistical mechanics where macroscopic quantities are determined by the fluctuations but has no precedent in turbulence. Only recently has experimental and theoretical work begun to focus on trying to unravel the nature of this missing link in turbulence with emphasis on the common and economically interesting case of friction drag in turbulent flows in pipes and channels. Linking these two strands of turbulence represents a major step and opens new possibilities in controlling the macroscopic response through tuning the statistical properties of turbulent flows, notably by using additives such as polymers, surfactants, or air bubbles. The present project will contribute to this endeavor and, in particular, to the long-standing issue of turbulent drag reduction by polymers. This project concerns the interplay between fluctuations and macroscopic drag in a system developed in our laboratory using soap film channels of large dimensions. Work on both smooth channels and rough channels will be essential to determine the main ingredients of turbulent drag and its link to the nature of the fluctuations. An important part of the project will concern drag reduction by polymers. Different types of polymers will be used depending on their flexibility and length. State of the art Particle tracking and Laser Doppler velocimetry will be used to characterize the velocity and stress fields of turbulent flows in such channels both with and without the addition of drag reducing agents. The work is coupled to Direct Numerical Simulations carried out in our Partner's Lab, IMB of the University of Bordeaux.