La résolution analytique des équations décrivant la turbulence est actuellement impossible et même l’existence de solutions régulières n’est pas certaine (cf. AMS millennium prize). Côté numérique, la limitation provient du nombre d’échelles mises en jeu qui augmente fortement avec l’intensité de la turbulence. En cas de forte turbulence, les codes ne modélisent donc que les plus grandes échelles et supposent une loi de raccordement pour les échelles plus petites et ce jusqu’à la dissipation visqueuse. Une meilleure compréhension des mécanismes qui gouvernent la turbulence nous permettrait d’obtenir des modèles sous-maille plus pertinents. Pour cela, une des approches choisies par un groupement de laboratoires, dont le Dsbt, consiste en l’étude comparée turbulence classique/superfluide. C’est dans ce cadre que nous proposons une thèse basée sur l’utilisation conjointe de deux diagnostics, visualisation et atténuation de second son, qui nous permettrons d’accéder au champs de vitesse et à la vorticité moyenne.

Exposé du sujet :
La résolution analytique des équations décrivant la turbulence est actuellement impossible, même l’unicité de la solution n’est pas certaine (cf. AMS millennium prize). Pourtant, la turbulence gouverne un nombre important de processus, souvent de manière pénalisante par exemple la traînée associée aux déplacements des voitures, avions, ... mais parfois de manière avantageuse notamment lorsqu’il s’agit de transporter efficacement la quantité de mouvement ou la chaleur : malaxeurs, échangeurs ...
La compréhension de la turbulence est souvent associée à l’étude du transfert d’énergie cinétique depuis son injection aux grandes échelles jusqu’à sa dissipation par la viscosité aux petites échelles. L’hélium superfluide (He II) est décrit comme ayant une composante non visqueuse à laquelle est associée la vorticité quantique et il est intéressant d’étudier la turbulence au sein de ce fluide afin de définir les invariants (lois applicables indépendamment de la nature du fluide) et les propriétés spécifiques éventuelles. La comparaison fluide classique (He I)-He II peut ainsi apporter un nouvel éclairage à notre compréhension de la turbulence et de ses propriétés.
Le CEA (DSBT et SPEC), l’Institut Néel, le Legi et L’ENSLyon collaborent depuis de nombreuses années sur cette thématique. Plus récemment une partie de ces acteurs se sont intéressés aux écoulements oscillants (donc sans vitesse moyenne) pour réaliser cette étude comparée turbulence classique/turbulence superfluide. Un des atouts de ce type d’écoulement est la possibilité d’utiliser efficacement la visualisation, par exemple pour une description lagrangienne de l’écoulement. L’utilisation conjointe d’un capteur mesurant l’atténuation du second son propagé au travers de l’écoulement permettra de sonder directement la turbulence associée aux vortex quantiques.
L’objectif de cette thèse est d’utiliser et d’améliorer ce type de mesure dans le cryostat optique existant pour sonder la turbulence aux petites échelles, en He I comme en He II, ce qui n’a jamais pu être réalisé jusqu’à présent. L’obtention de mesures 3D du champ de vitesse (par suivi de particules ou à l’aide de l’holographie en ligne) couplée à la mesure de la densité de vortex quantique constitue une approche novatrice qui est au cœur de ce projet.
Cette thèse s'inscrit dans la continuité d'une collaboration avec l'Institut Néel et l'ENS Lyon pour l'étude comparée de la turbulence classique et superfluide.

Laboratoire d'accueil :
Laboratoire Réfrigération et Thermohydraulique Hélium (LRTH)
Département des Systèmes Basses Températures (DSBT)
CEA-Grenoble
17 Avenue des Martyrs
38 054 Grenoble cedex 9

Début de la thèse :
Septembre/octobre 2021