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Ce projet est conjoint avec le CEA Saclay. Les progrès récents de l’analyse mathématique des équations régissant les écoulements visqueux semblent indiquer qu’il existe un lien entre la mise à l’échelle de la dissipation dans un fluide turbulent et le développement des singularités. Cependant, on en sait très peu sur la dynamique et les statistiques des structures dissipatives correspondantes. Le projet EXPLOIT vise à fournir une caractérisation des structures de dissipation basée sur une analyse expérimentale d’un modèle d’écoulement turbulent à l’aide d’outils multi-échelles et de techniques de visualisation avancées (4D PTV) dans une expérience turbulente dédiée de taille métrique. Des simulations numériques hautement résolues sont également utilisées pour compléter les analyses et valider les outils d’analyse.

Expérience dans le Grand Von Karman (GVK) du CEA Saclay

Le générateur de turbulence est un cylindre de 1m de diamètre et 1m de haut disposant d'un rotor en fond de cuve et d'un autre rotor en haut de cuve. Ce dispositif est connu sous le nom de cuve de Von Karman. Les deux rotors peuvent tourner dans le même sens (contra) ou dans des sens opposé (anti). Les nombres de Reynolds atteints lors de l'expérience réalisée dans de l'eau vont de 157 000 à 4 000 000.

• Expérience de PTV 4D, 4 caméras + laser à 1 kHz
• Volume de mesure de 40 x 40 x 6 mm
• 1 pixel = 30 µm
• échelle spatiale de Kolmogorov = 4 pixels pour l'expérience à plus bas Reynolds

Cette étude vise à explorer et documenter la turbulence en rotation générée dans un mélangeur. Elle vise à comprendre comment les propriétés de la turbulence sont affectées par le mouvement de rotation dans la cuve et quels sont les phénomènes sous-jacents. Pour cela, différentes configurations de mélanges ont été étudiées en modifiant :

• La vitesse de rotation: cela a pour effet de modifier le nombre de Reynolds
• la géométrie des pales: cela a pour effet de modifier les conditions génératrices de la turbulence
• la topologie de l'écoulement, par l'ajout d'aubes anti-rotation (baffles)

Mesure PIV 2D2C haute cadence dans l'eau

• Zone d'intérêt de 30 x 30 mm située sous le rotor
• Grossissement important, 1 pixel = 14 µm
• Acquisition de 50 000 paquets de 3 cartes successives (1 kHz) pour une très bonne convergence statistique

Comment la turbulence est impactée par son inhomogénéité dans l'espace

Avec les aubes anti-rotation, la turbulence est non-homogène dans l'espace. De manière surprenante certains résultats de la théorie classique de turbulence homogène isotrope restent applicables. D'après cette étude il semble qu'un équilibre entre l'énergie crée par la pression et le transport d'énergie turbulente dans l'espace permet d'expliquer ces résultats. D'un autre côté, dans le cas sans aubes anti-rotations, le fluide suit un mouvement comparable à un mouvement de rotation solide et la turbulence générée ne suit pas la théorie classique. Cela a un impact sur la manière dont la turbulence est produite au sein du mélangeur en générant des contraintes changeant ces propriétés drastiquement.

Le projet ANR DYNEOL proposé par les laboratoires CORIA, LEGI, LMFL et PPRIME, est un projet de recherche fondamentale qui a pour but de quantifier la dynamique de l’écoulement autour d’une pale en fonction de l’écoulement amont. Ce dernier peut être composé de différentes familles de structures cohérentes ou avoir un cisaillement moyen dû à une couche limite de grande taille. La pale peut elle-même être fixe ou en rotation. Ces situations sont rencontrées sur les éoliennes/hydroliennes et ne sont pas prises en compte dans les modèles de performance globale. Pour étudier les interactions de la turbulence amont avec la pale, une démarche originale est suivie : des diagnostics optiques et des simulations hautes fidélité vont être mis en œuvre pour analyser le budget conditionné d’énergie cinétique. Cette analyse innovante sera complétée par des méthodes d’analyse éprouvées telles que la "Proper Orthogonal Decomposition" ou la "Dynamic Mode Decomposition" mais qui seront appliquées pour la première fois à ce type d’écoulement. Des configurations d’ailes fixes et mobiles seront étudiées. La PIV 2D et 3D sera comparée à des simulations aux grandes-échelles pour évaluer la qualité des différentes approches et comprendre ses interactions.

Cas de l'interaction entre le sillage d'un ou plusieurs éléments de pales dans une couche limite turbulente

Il s'agit d'étudier l'interaction des sillages de plusieurs éléments montés l'un derrière l'autre, dans la couche limite turbulente. Pour cela plusieurs configurations ont été étudiées. Des objets de type cylindres et ailes dans la couche limite à plusieurs hauteurs, ainsi que des cas d'interactions entre deux cylindres ou d'un cylindre et une aile ont été testés. Pour l'étude du sillage, la PIV 2D2C basse cadence a été choisie. Chaque champ instantané étant décorrélé les uns par rapport aux autres, une méthode originale a été développée pour effectuer une reconstruction par phase.

• Champ de 590 x 150 mm
• 4 caméras pour suivre l'évolution du sillage dans la couche limite loin des objets

Cette thèse menée à l'université de Naples Frédérico II, a portée sur l'étude expérimentale de l'efficacité du contrôle par jets synthétiques sur les tourbillons de bout d'aile et leur sillage, généré par une aile rectangulaire à faible allongement, afin de préserver l'induction mutuelle des tourbillons contrarotatifs pendant leur évolution. Le contrôle actif a été conçu pour déclencher les instabilités inhérentes de Crow et Widnall à différents coefficients de quantité de mouvement Cμ dans le but de réduire la force des tourbillons, d'une part, par réduction de leurs vitesse circonférentielle, et d'autre part, en améliorant la dissipation des tourbillons par leurs liaison précoce dans le sillage. La vélocimétrie par image de particules stéréoscopique a été largement utilisée comme technique de mesure pour l'évaluation des trois composantes de la vitesse. Celle-ci a notamment été utilisée dans la grande soufflerie de couche limite pour évaluer l'efficacité du sillage en champ lointain.