Dissipation, cascade and singularities in turbulence
Description
Turbulent flows are governed by the Navier-Stokes equations which describe the motion of fluids from macroscopic to microscopic scales, where dissipation phenomena transform kinetic energy into heat. Two characteristics make it difficult, if not impossible, to use these equations directly to numerically simulate the behaviour of the fluids that surround us: 1) the flows extend over gigantic ranges of scales, implying a number of degrees of freedom too great to be managed by our current super-computers; 2) they lead to the development of localised structures characterised by very strong gradients, which we do not know how to manage numerically, and which could be the signature of singularities or quasi-singularities developing in the limit of large Reynolds numbers. In this thesis, we propose to use this second phenomenon to counter the problems related to the first one, i.e. to improve the modelling of turbulent flows by taking into account their irregularity. Thus, we propose models for the correction of the Navier-Stokes equations at macroscopic or mesoscopic scales. These models are guided by observations and confronted with experimental data or numerical simulations. We first present the Navier-Stokes equations and the functioning of numerical simulations for real turbulent flows, from the algorithm to the high-performance computing. Then, we focus on two macroscopic quantities of turbulent flows: the topology of large recirculations and the energy flow. For these quantities, we propose two models: the first one for the behaviour far from the fluid walls, using a large eddy simulation method, and the second one taking into account the walls and studying the impact of the roughness on the fluid entrainment. After this macroscopic study, we take a statistical look at the macroscopic, mesoscopic and microscopic properties of the turbulence using structure functions and local inter-scale energy flows. Our statistical analysis highlights the low regularity of the observed flows which do not seem to respect the classical Kolmogorov modelling which predicts a fixed regularisation scale. To take this phenomenon into account, we propose a new universal normalisation of the flows using the properties of the multifractal model. This normalisation is interpreted in a thermodynamic framework, and linked to the extensivity of a free energy. We then turn to the understanding of local dissipation and the observed variability of the dissipation scale. We observe that the latter is correlated with the existence of extreme values of energy transfer at the smallest scales, which we interpret as a signature of the existence of singularities or quasi-singularities. Based on this vision, we propose a model to describe fluids including singularities called pincons that interact with each other and with the regular flow that surrounds them. All these models, from the largest scales of the flow to the point singularities, are ultimately a reflection of the impact of the singularities (point defects) at different scales. If the pincons do not necessarily exist, taking them into account would make it possible to explain or model several phenomena: the determination of the topologies of the large recirculations of the flow, the appearance of energy wells independent of the viscosity and maintained by the non-equilibrium character and the universality of the local filtered statistics. (author)
Abstract (French)
Les ecoulements turbulents sont regis par les equations de Navier-Stokes qui decrivent le mouvement des fluides des echelles macroscopiques aux echelles microscopiques, ou des phenomenes de dissipation transforment l'energie cinetique en energie thermique. Deux particularites rendent difficile, voire impossible l'utilisation directe de ces equations pour simuler numeriquement le comportement des fluides turbulents qui nous entourent: 1) les ecoulements s'etendent sur des gammes d'echelles gigantesques, impliquant un nombre de degres de liberte trop grand pour etre gere par nos super-calculateurs actuels; 2) ils conduisent au developpement de structures localisees caracterisees par de tres forts gradients, qu'on ne sait pas bien gerer numeriquement, et qui pourraient etre la signature de singularites ou de quasi singularites se developpant dans la limite des grands nombres de Reynolds. Dans cette these, nous proposons d'utiliser ce second phenomene pour contrer les problemes lies au premier, i.e. d'ameliorer la modelisation des ecoulements turbulents en tenant compte de leur irregularite. Ainsi, nous proposons des modeles de correction des equations de Navier-Stokes aux echelles macroscopiques ou mesoscopiques. Ces modeles sont guides par les observations et confrontes a des donnees experimentales ou des simulations numeriques. Nous presentons tout d'abord les equations de Navier-Stokes et le fonctionnement des simulations numeriques pour les ecoulements turbulents reels, de l'algorithme a la conduite de calcul haute performance. Ensuite, nous nous interessons a deux quantites macroscopiques des ecoulements turbulents: la topologie des grandes recirculations et le flux d'energie. Pour ces quantites, nous proposons deux modelisations: une premiere pour le comportement loin des parois des fluides, a l'aide d'une methode de simulation des grandes structures, et une seconde de prise en compte des parois et d'etude de l'impact de la rugosite sur l'entraînement du fluide. Apres cette etude macroscopique, nous regardons d'un point de vue statistique les proprietes macroscopiques, mesoscopiques et microscopiques de la turbulence a l'aide des fonctions de structure et des flux locaux d'energie inter-echelle. Notre analyse statistique met en lumiere la faible regularite des ecoulements observes qui ne semblent pas respecter la modelisation classique de Kolmogorov qui prevoit une echelle de regularisation fixe. Pour prendre en compte ce phenomene, nous proposons donc une nouvelle normalisation universelle des ecoulements en utilisant les proprietes du modele multifractal. Cette normalisation est interpretee dans un cadre thermodynamique, et liee a l'extensivite d'une energie libre. Nous nous interessons ensuite a la comprehension de la dissipation locale et de la variabilite observee de l'echelle de dissipation. Nous observons que cette derniere est correlee avec l'existence de valeurs extremes de transfert d'energie aux plus petites echelles, phenomene que nous interpretons comme une signature de l'existence de singularites ou quasi-singularites. Forts de cette vision, nous proposons un modele de description des fluides incluant des singularites baptisees pincons qui interagissent entre elles et avec l'ecoulement regulier qui les entoure. Toutes ces modelisations, des plus grandes echelles de l'ecoulement jusqu'aux singularites refletent l'impact des singularites (defauts ponctuels) a differentes echelles. Si l'existence des pincons n'est pas attestee, leur prise en compte permet d'expliquer ou de modeliser plusieurs phenomenes: la determination de la topologie des grandes recirculations de l'ecoulement, l'apparition de puits d'energie independants de la viscosite et maintenus par le caractere hors equilibre et l'universalite des statistiques filtrees locales
Files
Additional details
Additional titles
- Original title (French)
- Dissipation, cascade et singularites en turbulence
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 172 p.
- Report number
- FRCEA-TH--16031
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 54039644
- Subject category
- S42: ENGINEERING;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- LARGE-EDDY SIMULATION; NAVIER-STOKES EQUATIONS; POINT DEFECTS; REYNOLDS NUMBER; SINGULARITY; TURBULENCE; TURBULENT FLOW
- Descriptors DEC
- COMPUTERIZED SIMULATION; CRYSTAL DEFECTS; CRYSTAL STRUCTURE; DIFFERENTIAL EQUATIONS; DIMENSIONLESS NUMBERS; EQUATIONS; FLUID FLOW; PARTIAL DIFFERENTIAL EQUATIONS; SIMULATION
Optional Information
- Notes
- 146 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses