Subcritical transition to turbulence: study of turbulent spot growth in plane Couette flow

Transition sous-critique à la turbulence : étude de la croissance de poches turbulentes dans l’écoulement de Couette plan

Marie Couliou (1)

1 UME - Unité de Mécanique

This thesis focuses on the study of the laminar-turbulent coexistence in plane Couette flow, the flow sheared between two walls where a subcritical transition to turbulence occurs. We jointly use an experimental setup and direct numerical simulations which allow us to have access to visualizations and velocity fields when both laminar and turbulent states coexist. We show for the first time in a plane Couette experiment the presence of large scale flows in the vicinity of turbulent fronts during the turbulence expansion. We quantify them and show a correlation between their dynamics and the one of turbulent spot. We then focus on the turbulent spot growth in an initially laminar flow. A new global mechanism is identified which complements the usually evoked local mechanism. The study of the growing rate of both mechanisms allows one to get a more comprehensive view of the spot expansion along the spanwise direction which occurs via nucleations of velocity streaks. We also establish a link between the dynamics of the spot fronts, the one of the edge vortices and the one of large scale flows. We eventually study the turbulent spot growth along the streamwise direction by way of spot front velocities analysis as a function of time and Reynolds number. The turbulent spot shape can then be understood as the result of the effect of the mechanisms acting along both directions.

Cette thèse est consacrée à l’étude de la coexistence laminaire-turbulent dans l’écoulement de Couette plan, l’écoulement cisaillé entre deux parois, sujet à une transition sous critique à la turbulence. Nous utilisons conjointement un dispositif expérimental et des simulations numériques directes qui nous permettent d’avoir accès à des visualisations et des champs de vitesse dans des configurations où états laminaire et turbulent coexistent. Nous montrons pour la première fois dans une expérience de Couette plan l’existence d’écoulements à grandes échelles au voisinage d’un front turbulent lors de l’expansion de la turbulence. Nous les quantifions et nous montrons une corrélation entre leur dynamique et celle de la poche turbulente. Nous nous focalisons ensuite sur la croissance de poches turbulentes dans un écoulement initialement laminaire. Nous identifions un nouveau mécanisme global qui s’additionne au mécanisme local en bords de poche turbulente habituellement évoqué. L’étude des taux de croissance de ces deux mécanismes fournit une vision plus complète de l’expansion de la poche selon la direction transversale qui advient via des nucléations de stries de vitesse. Nous établissons également un lien fort entre la dynamique des fronts des poches, celle des tourbillons aux bords de la poche et celle des écoulements à grande échelle. Nous étudions enfin la croissance de poches turbulentes selon la direction longitudinale via une analyse des vitesses des fronts en fonction du nombre de Reynolds et du temps. La forme de la poche turbulente peut alors être appréhendée comme le résultat de l’effet des mécanismes selon les deux directions d’expansion.

Keywords: laminar-turbulent coexistence; large scale flows; turbulent spot

Keywords: coexistence laminaire-turbulent; Couette plan; écoulements à grande échelle

Domains: Fluid mechanics [physics.class-ph]

Marie Couliou. Transition sous-critique à la turbulence : étude de la croissance de poches turbulentes dans l’écoulement de Couette plan. Mécanique des fluides [physics.class-ph]. ENSTA PARISTECH UNIVERSITÉ PARIS SACLAY, 2015. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01252947⟩