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Axe 2 - Rôle des instabilités de Görtler et de Kelvin-Helmholtz dans le mélange turbulent des écoulements gravitaires sur pentes courbes

Thèse de Jérémie Dagaut

Financement : LabEx OSUG2020

Collaboration : C. Brun et E. Negretti (Equipe MEIGE)

Ce projet vise à mieux comprendre et modéliser la dynamique des courants gravitaires, qui contrôlent la circulation de l’océan, de l’atmosphère et des zones côtières. Ces écoulements sont stratifiés et sont définis comme étant des jets de paroi. Le rôle du mélange turbulent induit par les instabilités hydrodynamiques qui s’y développent est primordial. Dans le cas classique d’une pente linéaire, le mélange turbulent est majoritairement induit par l’instabilité de cisaillement appelée instabilité de Kelvin-Helmholtz. Cependant, une courbure locale (ou globale) de la pente peut générer des effets centrifuges et favoriser le développement d’une instabilité centrifuge appelée instabilité de Görtler. Les conditions d’émergence de ces instabilités, leur interaction et leur effet sur la dynamique globale de l’écoulement sont encore mal compris à ce jour.
Des simulations numériques sont réalisées dans le but de décrire et comprendre l’effet d’une pente courbe sur ce type d’écoulements. Dans un premier temps, le développement d’une couche limite de Blasius sur une paroi concave est étudié. Il est montré que la courbure induit une hétérogénéité transverse dans l’écoulement et modifie le processus de transition à la turbulence. Un intérêt particulier est également porté à l’effet du nombre de Reynolds sur la physique de l’instabilité de Görtler. On montre que la croissance de l’instabilité dépend des conditions physiques initiales de l’écoulement et que pour un nombre de Reynolds assez élevé, le taux de croissance maximal de l’instabilité sature à cause des effets non-linéaires. Le développement naturel des longueurs d’onde les plus amplifiées obtenu dans les simulations numériques est en accord avec les prédictions théoriques. Dans un second temps des simulations de jet de paroi sur pente concave sont réalisées. On montre une possible coexistence des instabilités de Görtler et de Kelvin-Helmholtz (voir figure). Les caractéristiques de l’instabilité de Görtler et les paramètres de la turbulence sont alors étudiés. Enfin, l’effet de la stratification sur le développement d’une couche limite de Blasius sur une paroi concave est étudié. Selon le type de stratification, l’écoulement est stabilisé ou modifié, et les propriétés de l’instabilité centrifuge sont changées.

Publications

Conference Proceedings

2019
Dagaut, J., Balarac, G., Negretti, M. - E., & Brun, C. (2019). Transition to turbulence in Görtler flows.Large Eddy Simulations (LES) of a Blasius boundary layer over a curved wall. In 17th European Turbulence Conference. Turin, Italy.