Добірка наукової літератури з теми "Interaction entre les ondes et la turbulence"

L'analyse aérodynamique de la combustion turbulente dans un moteur alimenté en gaz naturel, dépend fortement des caractéristiques de la turbulence et celles des flammes laminaires. La structure de la flamme turbulente à haut régime de fonctionnement du moteur est située entre la flamme plissée pour un mélange relativement riche, et celui de flammelettes avec formation de poches de gaz frais pour un mélange pauvre. Cette structure déchiquetée du front de flamme révèle le caractère instable de la combustion en mélange pauvre, et suggère une forte interaction entre la turbulence et la combustion dans les moteurs alimentés en gaz naturel.

Dans une certaine plage de nombre de Mach, l'interaction entre une onde de choc oblique et une couche limite s'effectue par une investigation numérique sur une plaque plane athermane, basée sur la résolution des équations de Navier-Stokes bidimensionnelles par le code Fluent. Cette interaction se matérialise sous la forme d'une onde de choc en 'lambda', décrite en premier par Mark en 1958. Elle peut être rencontrée dans les équipements des souffleries à haute enthalpie ou ceux relatifs à la distribution de gaz comprimés par exemple. Une bonne connaissance des phénomènes physiques intervenant dans de tels écoulements est nécessaire tant au point de vue des normes de sécurité qu'en terme d'accroissement des performances. Sous cette structure de choc, il se forme un bulbe de décollement massif engendrant une succession de structures tourbillonnaires en cas laminaire que turbulent due par l’effet du nombre de Mach amont qui est observé. Elle est suivie par un phénomène de transition de la réflexion régulière RR vers la réflexion de Mach MR pour le cas turbulent. Globalement les résultats numériques obtenus sont conformes avec ceux qui sont disponibles dans la littérature.

Nous étudions la propagation des ondes inertielles générées par l’oscillation d’un tore axisymétrique dans un fluide en rotation. Ces ondes inertielles se propagent à partir du tore oscillant avec un angle de propagation θf, déterminé par la relation de dispersion. Elles convergent vers une région focale où des interactions non linéaires peuvent induire une turbulence. Notre étude utilise des simulations numériques directes pour modéliser cet écoulement, en tenant compte des régimes linéaires et non linéaires, et en utilisant deux configurations de forçage du tore. Le premier modèle simplifie le tore en tant que force volumique locale en utilisant une fonction delta de Dirac (anneau de Dirac) le long de la direction d’oscillation du tore dans les équations de conservation de la quantité de mouvement. Le deuxième modèle, plus réaliste, met en œuvre un tore en 3D en utilisant la méthode de pénalisation. Nos résultats révèlent l’émergence d’un vortex central résultant des interactions non linéaires des ondes inertielles propagées. Dans le cas de l’anneau de Dirac et du régime linéaire, nos résultats montrent une relation entre l’énergie cinétique verticale et l’angle de propagation au point focal, avec une énergie maximale se produisant à θf = 35o. De même, dans le scénario de forçage en 3D du tore, aussi bien dans les simulations linéaires que non linéaires, indiquent un angle optimal de θf = 30o, conduisant à une vitesse verticale maximale et à une dissipation maximale, signifiant un transfert efficace d’énergie de la source oscillante vers la région focale. Dans le régime non linéaire, nous présentons la distribution spectrale détaillée de l’énergie cinétique dans la zone focale et effectuons une analyse spatio-temporelle du champ de vitesse. Cette analyse identifie les résonances triadiques des ondes inertielles, qui génèrent une zone turbulente et un mode à grande échelle similaire à l’écoulement moyen géostrophique
We investigate the propagation of inertial waves generated by the oscillation of an axisymmetric torus in a rotating fluid. These inertial waves propagate from the oscillating torus with a propagation angle θf, determined by the dispersion relation. They focus to a focal region where nonlinear interactions may induce turbulence. Our study employs direct numerical simulations to model this flow, considering both linear and nonlinear regimes, and using two torus forcing configurations. The first model simplifies the torus as a local volume force using a Dirac delta function (Dirac ring) along the torus’s oscillation direction in the momentum conservation equations. The second, more realistic model implements a 3D torus using the penalization method. Our findings reveal the emergence of a central vortex as a result of the nonlinear interactions of the propagated inertial waves. In the case of the Dirac ring and the linear regime, our results demonstrate a relationship between vertical kinetic energy and propagation angle at thefocal point, with maximum energy occurring at θf = 35o. Similarly, in the 3D torus forcing scenario, both linear and nonlinear simulations indicate an optimal angle of θf = 30o, leading to maximum vertical velocity and dissipation, signifying efficient energy transfer from the oscillating source to the focal region. In the nonlinear regime, we show the detailed spectral distribution of kinetic energy within the focal zone and conduct spatio-temporal analysis of the velocity field. This analysis identifies triadic resonances of the inertial waves, which drive the generation of a turbulent patch and a large-scale mode similar to the geostrophic mean flow

Cette étude a été l'occasion d'étudier les effets liés à la présence d'un cisaillement particulier de l'écoulement moyen sur le phénomène d'interaction choc/turbulence. Dans un premier temps, un outil de calcul performant et modulaire fondé sur une approche orientée objet a été développé afin de réaliser des simulations numériques directes de ce type d'écoulement. L'utilisation de schémas numériques à capture de choc et d'ordre élevé de type WENO ont permis une résolution fidèle des équations de Navier-Stokes compressibles. Dans un deuxième temps, une analyse poussée des effets de ce type de cisaillement sur la turbulence en l'absence de choc a été réalisée. Cette première étude a été l'occasion de dégager l'influence de plusieurs paramètres influents pour cette configuration d'écoulement. Enfin, dans un dernier temps, l'étude du phénomène d'interaction choc/turbulence cisaillée en présence de gradients moyens de température et de masse volumique a permis de souligner l'activation de phénomènes physiques caractéristiques à cette configuration. Ce travail permet également d'apporter une base de données de résultats susceptible d'être confrontée avec les modèles de turbulence et constitue un point de vue intéressant pour l'étude du phénomène d'interaction choc/couche limite
This study sheds some light on the effects of a specific sheared flow over the shock / turbulence interaction phenomenon. An efficient and modular computational tool using an oriented object approach has first been developed in order to carry out direct numerical simulations of this configuration. The use of high order shock capturing schemes allows to solve accurately the turbulent flow, even in presence of physical discontinuities. A detailed study concerning the effects of this specific mean shear on the turbulent flow has then been conducted in a shock-free configuration. This preliminary study emphases some significant parameters of this flow configuration. In a second step, DNS of the interaction between the turbulent shear flow and a normal shock ware are performed. These simulations are compared to the isotropic turbulence / shock interaction situation, which allows to underline the activationof specific mechanisms due to the presence of the mean shear in the upstream flow. An interesting database is now available and can be used to assess and improve turbulence models. This is also an interesting point of view for studying the shock/boundary layer interaction phenomenon

En présence d'une stratification stable en densité, situation fréquemment rencontrée dans l'atmosphère et les océans, les forces de flottabilité induites par la gravité se manifestent par la propagation d'ondes internes et affectent fortement la dynamique des écoulements, en particulier la phénoménologie de la turbulence. Cette étude numérique et théorique est consacrée aux propriétés de la turbulence et des ondes internes dans leur interaction avec une stratification et un cisaillement moyen vertical variant avec l'altitude. La simulation numérique directe des équations de Navier-Stokes sous l'approximation de Boussinesq permet de mettre en évidence l'effet radical d'une stratification stable sur les interactions entre la turbulence et les champs moyens de vitesse et de densité, et confirme la tendance de la turbulence stratifiée à former des couches horizontales. Ce phénomène peut être en partie décrit par un modèle analytique linéaire basé sur la théorie de la distorsion rapide. On met également en évidence la génération de courants moyens par l'interaction de deux ondes internes, grâce à un modèle analytique simple appuyé par la simulation numérique directe. Enfin, dans le cdre de l'approximation WBK à l'ordre de l'optique géométrique, une formulation hamiltonienne du problème de la réfraction nous permet d'étudier la distorsion d'un champ d'onde évoluant dans un fluide soumis à une stratification et à un cisaillement non uniformes.

Cette thèse a pour but l'analyse de l'interaction entre un jet turbulent et un tourbillon de sillage, dans la phase dite d'interaction du régime de sillage. C'est à dire lorsque le jet s'enroule autour du tourbillon car sa vitesse axiale n'est plus suffisamment élevée pour résister à l'attraction de ce tourbillon. Il y a alors un changement dans la nature de la turbulence du jet : des structures tourbillonnaires plus intenses émergent et perturbent le tourbillon autour duquel elles s'enroulent. Parmi les mécanismes physiques intervenant au cours de l'interaction, le travail effectué au cours de cette thèse a permis de déterminer quels étaient les mécanismes majeurs, ainsi que leur origine et leur enchaînement. Pour cela, nous avons dans un premier temps mis au point un outil d'analyse adapté à notre étude, basé sur une méthode de décomposition du champ de vitesse globale en la somme des champs de vitesse induite par chacune des structures tourbillonnaires. Dans un deuxième temps, l'ensemble des fonctionnalités de cet outil ont été validées à l'aide de différents tests, qui ont par ailleurs permis de faire le point sur certaines limites de la méthode. Une fois cet outil validé, il a été utilisé sur quatre simulations de l'interaction jet/tourbillon effectuées à l'aide d'un solveur qui résout les équations de Navier-Stokes tridimensionnelles pour un fluide compressible. Cette analyse comparative a permis de mettre en évidence les mécanismes propres à l'interaction et d'éliminer les phénomènes induits par les différents paramètres de la simulation. Une fois cette dépendance levée, l'étude s'est focalisée sur l'analyse des mécanismes dominants en identifiant leur origine, i.e. la structure tourbillonnaire à l'origine du mécanisme, et leur action, en les confrontant à des mécanismes issus de la littérature. On a ainsi pu, entre autres, mettre en valeur les mécanismes d'intensification des structures tourbillonnaires issues du jet, la déformation du tourbillon axial par ces mêmes structures et la création d'excroissances de vorticité azimutale sur le tourbillon axial. Enfin, cette étude a permis de construire un scénario de l'interaction jet/tourbillon qui pourra servir de base pour une étude de cette interaction dans une démarche de contrôle.

On étudie l'évolution d'une solution initialement homogène constituée de deux espèces soumises à un gradient thermique qui génère un transfert de matière, ce qui peut conduire à la séparation des espèces du fluide binaire. La configuration choisie pour étudier la séparation est une cellule rectangulaire (ou parallélépipédique), horizontale et placée dans le champ de pesanteur. La présence d'une source piézo-électrique, sur l'une des parois verticales de la cavité, permet de générer un écoulement stationnaire à grande échelle. L'écoulement est induit par la propagation d'ondes ultrasonores au sein du fluide visqueux : la dissipation de l'énergie acoustique de l'onde au sein du fluide porte le nom d'Eckart streaming. On cherche à optimiser la séparation en combinant gradient thermique et source acoustique. La première partie consiste en l'étude de l'écoulement isotherme généré par l'onde ultrasonore dans un fluide mono-constituant. Après avoir calculé le champ d'intensité acoustique avec l'intégrale de Rayleigh, le profil est implémenté dans un code aux éléments finis Comsol Multiphysics. Les résultats numériques sont comparés avec des résultats expérimentaux antérieurs. Dans une seconde partie, on considère une cavité contenant un fluide binaire. On détermine analytiquement, à l'aide du logiciel Maple, la séparation (différence de fraction massique entre les deux extrémités de la cellule) en fonction des paramètres de contrôle du problème. Des simulations numériques 2D et 3D ont montré un bon accord entre les résultats analytiques et numériques, pour un paramètre acoustique constant et un chauffage par le bas ou par le haut de la cellule. Le problème considéré dépend alors de huit paramètres adimensionnels. Trois d'entre eux sont propres à la nature du fluide binaire : le nombre de Lewis Le, de Prandtl Pr et le facteur de séparation ψ. Il y a ensuite deux paramètres de contrôle, le nombre de Rayleigh thermique Ra et la force acoustique adimensionnelle A. Enfin, les autres paramètres adimensionnels sont les deux rapports d'aspect de la cavité, ainsi que l'épaisseur relative du faisceau acoustique
The evolution of an initially homogeneous solution consisting of two species subjected to a thermal gradient which generates a mass transfer, which can lead to the separation species from the binary fluid, is studied. The configuration chosen to study the separation is a rectangular (or parallelepipedic) cell, horizontal and placed in the gravitational field. The presence of a piezoelectric source on one of the vertical walls of the cavity makes it possible to generate a stationary flow on a large scale. The flow is induced by the propagation of ultra-sonic waves within the viscous fluid : the dissipation of the acoustic energy of the wave within the fluid is called Eckart streaming. We seek to optimize the separation by combining thermal gradient and acoustic source. The first part consists of the study of the isothermal flow generated by the ultrasonic wave in a monoconstituent fluid. After calculating the acoustic intensity field with the Rayleigh integral, the profile is implemented in a Comsol Multiphysics finite element code. The numerical results are compared with previous experimental results. In a second part, we consider a cavity containing a binary fluid. A configuration heated from the top is privilegied to allow the insertion of an acoustic source. The separation (difference of mass fraction between the two ends of the cell) is determined analytically using the Maple software as a function of the control parameters of the problem. 2D and 3D numerical simulations showed a good agreement between the analytical and numerical results, for a constant acoustic parameter. The problem considered depends on eight dimensionless parameters. Three of them are specific to the nature of the binary fluid : the Lewis number Le, the Prandtl number Pr and the separation factor ψ. There are then two control parameters, the thermal Rayleigh number Ra and the adimensional acoustic force A. Finally, the other dimensionless parameters are the two aspect ratios of the cavity, as well as the relative thickness of the beam

Un tokamak est le siège de diverses instabilités qui peuvent être à l'origine d'une dégradation du confinement magnétique. Cette thèse porte sur l'étude de la dynamique d'un îlot magnétique en présence de turbulence dans les plasmas magnétisés. Plus précisement, il s'agit de comprendre la nature de l'interaction multi-échelle entre la turbulence, générée par un gradient de pression et la courbure du champ magnétique, et un îlot magnétique formé par un mode de déchiremement classique. Grâce à la déduction d'un modèle 2D prenant en compte ces deux sources d'instabilité, des études linéaires analytiques et numériques permettent de comprendre l'effet de la pression sur la phase de croissance linéaire d'un îlot magnétique et mettent en évidence la stabilisation des modes interchanges en présence d'un champ magnétique. Ensuite, des simulations non-linéaires du modèle sont présentées pour comprendre comment le mécanisme d'interchange affecte la dynamique non-linéaire d'un îlot magnétique. De façon générale, le gradient de pression et la courbure du champ magnétique affectent fortement l'évolution non-linéaire de l'îlot magnétique permettant l'apparition de bifurcations dynamiques dont la nature doit être caractérisée suivant les situations dans lesquelles on se place. Enfin, la dernière partie de cette thèse est dédiée à l'étude de la rotation poloïdale de l'îlot magnétique. La déduction d'un modèle permettant de mettre en évidence les différentes origines possibles de la rotation est présentée. Il apparaît clairement que la rotation non-linéaire de l'îlot magnétique peut être gouvernée par l'écoulement poloïdal E x B et/ou par l'écoulement non-linéaire diamagnétique
In a tokamak, it exists many kind of instability at the origin of a dammage of the confinement and worst of a lost of a confinement. This phd presents a study of the dynamics of a magnetic island in presence of turbulence in magnetized plasmas. More precisely, the goal is to understand the multiscales interaction between turbulence, generated by a pressure gradient and the magnetic field curvature, and a magnetic island formed thanks to a tearing mode. Thanks to the derivation of a 2D slab model takking account both tearing and interchange instabilities, theoretical and numerical linear studies show the pressure effect on the magnetic island linear formation and show interchange modes are stabilized in presence of a strong magnetic field. Then, a numerical nonlinear study is presented in order to understand how the interchange mechanism affects the nonlinear dynamics of a magnetic island. It is showned that the pressure gradient and the magnetic field curvature affect strongly the nonlinear evolution of a magnetic island through dynamics bifurcations. The nature of these bifurcations should be characterized in fonction of the linear situation. Finally, the last part of this phd is devoted to the study of the origin of the nonlinear poloidal rotation of the magnetic island. A model giving the different contributions to the rotation is derived. It is showned, thanks to the model and to the numerical studies, that the nonlinear rotation of the island is mainly governed by the E x B poloidal flow and/or by the nonlinear diamagnetic drift

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'interaction entre les écoulements cisaillés et la turbulence dans les plasmas chauds magnétisés. On s'est particulièrement focalisé sur l'étude de la dynamique complexe d'une barrière de transport et sur un moyen de contrôler ces oscillations de relaxations. Après avoir détaillé un modèle 3D auto-consistant décrivant la turbulence dans la région de bord d'une machine de fusion magnétique, nous avons dégagé au moyen de modèles 1D et 3D les principaux mécanismes à l'origine de la réduction du transport turbulent dans la région appelée barrière de transport. Nous avons, en particulier, étudié la décorrelation de la turbulence par un écoulement moyen cisaillé avec profil linéaire, et nous avons dérivé, en faisant une étude analytique et numérique utilisant un modèle 1D de scalaire passif, la dépendance du flux de chaleur radial en fonction du taux de cisaillement. Nous obtenons des résultats qui confirment que l'amplitude de la turbulence peut être plus fortement supprimée par l'écoulement cisaillé que le terme de phase entre les fluctuations de pression et de vitesse radiale, et que la dépendance du flux de chaleur radial et de ces composantes n'est pas universelle mais dépend du modèle utilisé ainsi que de la statistique de la source de turbulence. Enfin, nous avons étudié un moyen de contrôle des oscillations de relaxation d'une barrière de transport par des perturbations résonnantes, cette étude étant motivée par de récentes expériences de stabilisation des ELMs [Evans2004, Becoulet2008, Liang2007, Finken2007] au moyen de perturbations magnétiques résonnantes (RMPs) crées par un courant continu dans des bobines perturbatives externes. Nous avons reproduit dans des simulations 3D en utilisant les paramètres de la machine TEXTOR avec, à la fois, des RMPs et une barrière de transport, un effet stabilisant des RMPs sur les oscillations de relaxations de la barrière, sans perte de confinement majeure pour de faibles valeurs du courant perturbatif I_D (I_D 1. 5 kA) avec les paramètres de TEXTOR). Nous avons analysé cet effet et montré qu'il est lié à une modification du gradient de pression due essentiellement à la modification de la topologie magnétique, en particulier la formation de chaînes d'îlots résiduels et du transport induit par la stochasticité. On observe une érosion du gradient de pression (donc de la barrière de transport), au voisinage de la surface de résonance principale

L'étude expérimentale du système faisceau d'ions-plasma a montré que la formation de tourbillons dans l'espace des phases ionique représente le régime non-linéaire de l'instabilité du système faisceau d'ions-plasma. Des expériences, réalisées dans une machine double plasma multipolaire, montrent la formation d'une structure de type "bosse et creux" derrière le front de choc induit par une perturbation en échelon de la vitesse du faisceau. L'excitation localisée de l'instabilité acoustique ionique est également enregistrée. On étudie ensuite les régimes instables du système faisceau d'ions-plasma et on caractérise la turbulence acoustique ionique à basse fréquence qui est engendrée par l'instabilité acoustique ionique au voisinage de la fréquence plasma ionique. L'analyse spectrale et l'étude des corrélations permettent de mieux appréhender la situation physique. Enfin, on analyse la turbulence par une méthode statistique, la méthode de la moyenne conditionnelle, qui permet la mise en évidence et l'analyse de l'évolution spatio-temporelle de la dynamique des structures électrostatiques stables se propageant dans le système faisceau-plasma. Ces structures sont associées à des fluctuations négatives du potentiel et de la densité et sont identifiées aux trous d'ions correspondant à la formation de tourbillons dans l'espace des phases ionique. Pour finir, les moyennes conditionnelles sont comparées aux enregistrments synchrones des fluctuations sur un réseau de sondes.

Les écoulements internes et le mélange prenant place pendant la phase de compression d'un cylindre moteur constituent des facteurs clés en vue de l'optimisation du moteur ainsi que des émission polluantes. Le cadre contractuel de ce travail est un projet collaboratif mettant en oeuvre les constructeurs automobiles (PSA, Renault) le CNRS ainsi que l'ADEME. Une installation expérimentale existante a été exploitée. Nous avons apporté des modification permettant de réaliser une injection directe au sein de la chambre. Nous avons pu rassembler une base de donnée importante et fiable. Des techniques d'imagerie laser ont été utilisées. Cette étude servira à répondre à mieux connaître la capacité de cette interactions à altérer les propriétés de transport et de non dissipativité de la structure tourbillonnaire à grande échelle attendue pour réaliser une stratification de la charge. Nous nous intéressons ici à l'interaction entre un spray et l'aérodynamique dans une situation modèle d'un moteur à pistons. Ainsi un jet rond monophasique modèle à été a été mis en place afin de respecter une analyse dans dimension permettant d'être représentatif de la situation réelle. Deux directions d'injections ont été testées afin d'étudier l'influence du jet sur l'écoulement Des mesures ont donc été effectuées pour mesurer les champs de vitesse (PIV) ainsi que les champs de fraction massique (PLIF) dans le plan de symétrie de la chambre. Afin de réaliser des mesures quantitatives de fluorescence, il était nécessaire de réaliser un étalonnage afin de connaître le coefficient d'absorption ainsi que le rendement de fluorescence du dopant utilisé (en l'occurrence de l'acétone). Ces mesures permettent une meilleure compréhension des phénomènes de transfert d'énergie entre le jet d'injection et la structure tourbillonnaire à grande échelle ainsi que de la modification du processus de rupture de cette dernière par l'injection. L'énergie moyenne est transférée vers les petites échelles durant un temps très cours. Puis il apparaît que la perturbation de la structure cohérente à grande échelle par l'injection provoque très tôt dans le cycle le processus de dissipation. Ainsi, le temps de dissipation est plus long entraînant un niveau d'énergie fluctuante en fin de compression après injection beaucoup plus faible que dans la situation de compression du vortex seul. Cette donnée est importante en ce qui concerne la combustion. Enfin, nous avons proposé l'utilisation de la Décomposition Orthogonale en modes Propres (POD) avec une approche globale sur la phase de compression ceci afin de disposer d'une base commune à l'ensemble des champs instantanés de cette phase. Une interpolation des champs est donc nécessaire pour unifier en taille tous les champs utilisés dans la décomposition. Le schéma linéaire apparaît comme celui permettant de minimiser les pertes d'énergie par l'interpolation. Cette analyse POD confirme les conclusions apportée auparavant en ce qui concerne les transferts d'énergie entre échelles et apparaît comme un outil efficace et prometteur dans l'étude des phénomènes transitoires comme celui ci.

L'objectif de ce travail vise à une meilleure compréhension des mécanismes de la turbulence pariétale. Différentes approches expérimentales sont utilisées, la Vélocimétrie Laser Doppler (VLD), la Vélocimétrie par images de particules (PIV), et la polarographie. Le caractère non intrusif de ces méthodes a permis de préciser le comportement dynamique des structures cohérentes au voisinage de la paroi. La mise en œuvre de l'analyse conditionnelle effectuée sur les différents signaux de vitesse et du frottement, a permis de déterminer l'intensité, l'échelle et la fréquence des différents événements. L'analyse des corrélations spatio-temporelles montre que les tourbillons en épingle à cheveux évoluent par 'paquets' en formant une structure inclinée par rapport à la paroi. Les mesures à l'aide de la PIV confirment ces résultats
L'objectif de ce travail vise à une meilleure compréhension des mécanismes de la turbulence pariétale. Différentes approches expérimentales sont utilisées, la Vélocimétrie Laser Doppler (VLD), la Vélocimétrie par images de particules (PIV), et la polarographie. Le caractère non intrusif de ces méthodes a permis de préciser le comportement dynamique des structures cohérentes au voisinage de la paroi. La mise en œuvre de l'analyse conditionnelle effectuée sur les différents signaux de vitesse et du frottement, a permis de déterminer l'intensité, l'échelle et la fréquence des différents événements. L'analyse des corrélations spatio-temporelles montre que les tourbillons en épingle à cheveux évoluent par 'paquets' en formant une structure inclinée par rapport à la paroi. Les mesures à l'aide de la PIV confirment ces résultats