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Accueil > Actualités > Événements > Événements 2016

Opération 31 : Transport turbulent de champs et de particules

Auteurs : Mickael Bourgoin

L’une des caractéristiques les plus remarquables de la turbulence réside en son efficacité au mélange et au transport de substances et de particules.

  • Mélange turbulent : dans un fluide au repos, les substances ne diffusent et ne se dispersent que grâce à la diffusion moléculaire, qui est inefficace pour assurer un mélange à grande échelle. Les molécules de CO2 ne se séparent par exemple dans l’air au repos qu’à un taux de l’ordre du millimètre par seconde. Dans des situations macroscopiques, la turbulence joue donc un rôle essentiel permettant d’accélérer le processus du mélange, en assurant l’étirement et le repliement permanent de l’interface entre les espèces à mélanger, à toutes les échelles, conduisant à une structuration de plus en plus intriquée (cf. image ci-dessous) de l’interface qui peut ainsi atteindre des échelles suffisamment petites pour que la diffusivité moléculaire opère efficacement. Ce processus se fait donc en deux étapes : (i) le transfert de l’interface macroscopique vers les petites échelles grâce à la turbulence ; (ii) le lissage des fronts à petite échelle par la diffusion moléculaire. Nous mettons en oeuvre des techniques de LIF (Laser Induced Fluorescence) afin d’étudier le mélange entre fluides, ainsi que le mélange de macro-molécules et de particules. Pour ces dernières nous explorons notamment la possibilité d’améliorer l’efficacité du mélange en couplant la turbulence à d’autres phénomènes de transport tels que la diffusiophorèse (mobilité des particules induite par un gradient chimique) ou la thermophorèse (mobilité des particules induite par un gradient thermique).
Mélange d’un colorant fluorescent

Mélange d’un colorant fluorescent (rhodamine) injecté en un point source situé au centre d’un jet turbulent. Cette image révèle la structuration multi-échelle de l’interface induite par la turbulence (la grande dimension de l’image représente quelques centimètres), permettant d’engendré des fronts raides aux plus petites échelles ou la diffusion moléculaire achèvera ensuite d’homogénéiser le milieu vers un état « bien mélangé ».

  • Transport de particules : La turbulence affecte notablement le transport de particules matérielles, tels que des aerosols atmosphériques, les gouttelettes dans les nuages ou encore les poussières dans les disques d’accrétion proto-planétaires. Par exemple, des particules plus denses que le fluide porteur ont tendance à être centrifugées en dehors des tourbillons dans l’écoulement et à se concentrer préférentiellement hors des zones où le fluide est en forte rotation (zones de faible vorticité). Nous étudions de tels couplages particules/turbulence afin de mieux comprendre la dynamique individuelle et collective de particules matérielles en interaction avec un écoulement turbulent en vue, à terme, d’améliorer les capacités prédictives des modèles de dispersion et de transport. Nous mettons en œuvre des techniques Lagrangiennes acoustiques et optiques à très haute résolution spatiale et temporelle permettant de mesurer la vitesse et l’accélération de particules individuelles ainsi que la répartition spatiale des particules dans un brouillard transporté par la turbulence.

Pour toutes ces études nous disposons de diverses installations permettant d’engendrer des écoulements turbulents canoniques tels que la turbulence de grille passive et active en soufflerie, des jets turbulents, etc.