Characterization of unsteady flow behavior by linear stability analysis

Résumé : Au cours des dernières décennies, la théorie de la stabilité a été intensivement utilisée pour caractériser le comportement instationnaire d'écoulements. Cela a donné naissance à un grand nombre d'approches, mais malheureusement chacune d'entre elles semble présenter ses propres limitations. De plus, leurs conditions de validité sont encore très mal connues, ce qui soulève la question de la fiabilité de ce genre de méthodes dans un cas général.Cette problématique est traitée dans cette thèse en s'intéressant dans un premier temps aux approches classiques de stabilité, qui étudient l'évolution de petites perturbations autour d'une solution stationnaire -- un champ de base -- des équations de Navier-Stokes. Pour cela, le phénomène du screech -- un bruit tonal que peuvent causer les jets sous-détendus -- est étudié d'un point de vue de la stabilité linéaire. Les résultats obtenus montrent que la dynamique non-linéaire du phénomène est correctement prédite par une analyse linéaire de stabilité du champ de base. Une confrontation avec d'autres analyses similaires montre qu'un tel résultat n'est pas toujours observé. Cependant, lorsque les oscillations auto-entretenues d'un écoulement sont provoquées par un bouclage acoustique, comme c'est le cas entre autres pour le screech, l'écoulement de cavité ou encore les jets impactants, alors les non-linéarités ont une faible influence sur le phénomène de sélection de fréquence. Cela explique la capacité d'une analyse linéaire à caractériser ces écoulements, même dans le régime non-linéaire.Une autre approche, consistant à étudier la stabilité linéaire du champ moyen, a montré de bons résultats dans certaines configurations qui ne peuvent être correctement étudiées par une analyse linéaire du champ de base. Cela est justifié dans cette thèse en mettant en évidence le rôle que joue la résolvante autour du champ moyen dans la dynamique d'un écoulement. Il est montré que lorsque cet opérateur présente une forte séparation de valeurs singulières, ce qui correspond à l'existence d'un mécanisme d'instabilité fort, alors les modes de Fourier de l'écoulement sont proportionnels aux modes de résolvante dominants. Ce résultat fournit des conditions mathématiques et physiques pour l'utilisation et le sens de diverses méthodes d'analyse du champ moyen, telles qu'une analyse d'équations de stabilité parabolisées (Parabolised Stability Equations). De plus, cela permet de mettre en place un modèle de prédiction du spectre fréquentiel en tout point d'un écoulement, à partir d'une ou de quelques mesures ponctuelles et du champ moyen. L'ensemble de ces résultats est illustré et validé sur un cas de marche descendante turbulente. Enfin, cela est exploité dans un cadre expérimental, afin de reconstruire le comportement instationnaire d'un jet rond transitionnel, à partir de la seule connaissance du champ moyen et d'une mesure ponctuelle. L'étude montre que, sous certaines précautions expérimentales, la reconstruction est très précise et robuste.
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Thèse
Mechanics of the fluids [physics.class-ph]. Université Paris-Saclay, 2017. English. 〈NNT : 2017SACLX010〉
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Samir Beneddine. Characterization of unsteady flow behavior by linear stability analysis. Mechanics of the fluids [physics.class-ph]. Université Paris-Saclay, 2017. English. 〈NNT : 2017SACLX010〉. 〈tel-01513332〉

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