Dynamique non-linéaire et cascade en turbulences : turbulence hydrodynamique, turbulence d'ondes, et turbulence intégrable
Non-linear dynamics and cascades in turbulences : hydrodynamic turbulence, wave turbulence and integrable turbulence
par Annette CAZAUBIEL sous la direction de Eric FALCON
Thèse de doctorat en Physique
ED 564 Physique en Île-de-France

Soutenue le mardi 15 décembre 2020 à Université Paris Cité

Sujets
  • Fluides, Mécanique des
  • Sciences -- Expériences
  • Solitons
  • Systèmes non linéaires
  • Turbulence

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Mots clés
Turbulence d'ondes, Turbulence intégrable
Resumé
Les modèles de turbulence tendent à prédire l'évolution statistique d'un champ régi par une équation non-linéaire avec des termes de forçage et de dissipation. Pour la turbulence hydrodynamique, le champ de vitesse est gouverné par l'équation de Navier-Stokes. Pour décrire un champ d'ondes aléatoires faiblement non-linéaires en interaction, la théorie de la turbulence d'ondes permet d'obtenir des prédictions sur de nombreuses quantités statistiques. Lorsqu'un champ d'ondes stochastiques obéit à une équation intégrable, on parle de turbulence intégrable. Ces différentes « turbulences » restent des défis théoriques. Afin de mieux les comprendre, il est nécessaire de confronter ces théories à des expériences de laboratoire. Nous avons mené dans cette thèse des études expérimentales sur trois systèmes non-linéaires turbulents. Nous avons mis en place au laboratoire un nouveau dispositif pour engendrer la turbulence hydrodynamique tridimensionnelle. En utilisant des particules magnétiques de petites tailles contrôlées à distance, nous arrivons à forcer le fluide en volume, aléatoirement en espace et en temps. Nous présentons dans cette thèse les principales caractéristiques de la turbulence à petites échelles ainsi engendrée et des résultats sur la dynamique des grandes échelles (échelles plus grand que celle du forçage) en turbulence homogène, isotrope. En utilisant la centrifugeuse de l'ESA, nous avons pu mener des expériences de turbulence d'ondes à la surface d'un fluide en faisant varier la gravité effective jusqu'à 20 fois la gravité terrestre. Nous avons pu notamment montrer l'importance des effets de taille finie du système dans les expériences de turbulence d'ondes. Enfin, en utilisant le grand bassin de l'École Centrale de Nantes, nous avons étudié la propagation unidimensionnelle d'ondes de gravité aléatoires en eau profonde, et la statistique de l'émergence de structures localisées non-linéaires telles que des solitons évoluant sur un fond d'ondes stochastiques. Nous avons mené dans cette thèse trois études expérimentales de systèmes non-linéaires, turbulents. Nous avons mis en place un nouveau dispositif pour engendrer la turbulence hydrodynamique 3-D. En utilisant des particules magnétiques de petites tailles contrôlées à distance, nous arrivons à forcer le fluide en volume, aléatoirement en espace et en temps. Nous présentons dans cette thèse les principales caractéristiques de la turbulence ainsi engendrée et notamment comment le forçage en volume permet d'obtenir une cascade turbulente à des nombres de Reynolds modérés. Grâce à la centrifugeuse de l'ESA, nous avons pu mener des expériences de turbulence d'ondes en faisant varier la gravité effective jusqu'à 20 fois la gravité terrestre. Nous avons pu montrer l'importance des modes grandes échelles du bassin dans les expériences de turbulence d'ondes. Dans le grand bassin et le canal à traction de l'École Centrale de Nantes, nous avons étudié la propagation unidimensionnelle d'ondes de gravité, en eau profonde, modulées aléatoirement en amplitude et en phase, et l'émergence de structures localisées non linéaires et de solitons évoluant sur un fond d'ondes stochastiques. Une telle coexistence est prédite théoriquement pour la turbulence intégrable.