Thèse soutenue le 15 décembre 2021 pour obtenir le grade de docteur de la Communauté Université Grenoble Alpes - Spécialité : MEP : Mécanique des fluides Energétique, Procédés

Résumé :
Dans cette thèse expérimentale nous étudions des écoulements à très grand nombre de Reynolds (Re _λ), en nous intéressant plus particulièrement à la dynamique de la cascade turbulente et à l’intermittence. Du fait de la très faible viscosité de l’hélium aux basses températures (T = 1,8 - 2,4K), nous avons pu générer et étudier des écoulements de jet et de von Kármán dans une vaste gamme de Reynolds (Re _λ varie entre 1000 et 13000). Nous mesurons les fluctuations de vitesse avec des anémomètres à fil chaud de Wollaston qui sont fabriqués au laboratoire. Les grands Reynolds générés entrainent des échelles dissipatives dans le domaine du micron, ce qui n’est pas malheureusement accessible à nos anémomètres (de longueur typiquement 300 µm), de sorte que nous limitons notre étude à l’intermittence inertielle. Un cryostat a été construit et exploité pour calibrer les fils chauds en déplaçant ceux-ci dans un fluide initialement au repos. Afin d’étudier un écoulement bien établi, nous avons modifié l’expérience Hejet qui avait été construite dans le cadre d’une thèse antérieure. Dans le but de réduire l’instabilité du jet, nous avons installé une nouvelle turbine mieux adaptée à l’écoulement. Nous avons ainsi caractérisé cette turbine, et vérifié que ses performances sont conformes à celles attendues à sa conception. Cependant cette nouvelle turbine ne permet pas de résoudre l’instabilité du jet que nous attribuons désormais essentiellement au confinement radial de celui-ci. Ce confinement induit des phénomènes inhabituels, au nombre desquels le caractère non Markovien des fluctuations de vitesse. La plupart des mesures présentées dans ce travail sont donc obtenues dans l’expérience de von Kármán « SHREK » dans laquelle nous avons réalisé différents types d’écoulements. Nous y avons vérifié que les écoulements étudiés, de très hauts nombres de Reynolds, vérifient les habituelles lois d’échelle. Pour ce qui est de l’intermittence, il semble que celle-ci a tendance à diminuer lorsque le Reynolds augmente. Afin d’approfondir ce point, nous utilisons une approche de Fokker-Planck pour étudier l’évolution suivant les échelles des PDF des incréments de vitesse. Nous avons calculé les termes de dérive et de diffusion, et comparé les coefficients pour différents types d’écoulement. Le Théorème des Fluctuations Intégrales (IFT) est vérifié avec une grande précision. Notre étude confirme que le coefficient de diffusion, directement lié à l’intermittence, décroit lorsque le nombre de Reynolds augmente, ce qui tendrait à prouver que K41 pourrait être un modèle bien adapté pour décrire les écoulements à Reynolds infini.

Jury :
Président : M. Joachim Peinke
Rapporteur : M. Sébastien Aumaitre
Rapporteur : M. Nicolas Mazellier
Examinatrice : Mme Léonie Canet
Invité : M. Alain Girard
Directeurs de thèse : M. Christophe Baudet

Mots clés :
Turbulence, Écoulement de von Kármán, Écoulement de jet axisymétrique, Intermittence

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