Turbulence et dispersion dans des écoulements ...
Document type :
Habilitation à diriger des recherches
Permalink :
Title :
Turbulence et dispersion dans des écoulements complexes
English title :
Turbulence and dispersion in complex fluid flows
Author(s) :
Thesis director(s) :
Mompean Munhoz Da Cruz, Gilmar
Defence date :
2023-01-13
Jury president :
Lanotte, Alessandra
Accredited body :
Université de Lille
Doctoral school :
École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille)
Keyword(s) :
Turbulence
Écoulement multiphasique
Fluides viscoélastiques
Solutions de polymères
Nombre de Reynolds
Transport de masse
Circulation océanique
Plancton -- Dynamique des populations
Courants océniques de surface -- Mesure
Dispersion lagrangienne
Couche de mélange
Amas de particules
Écoulement multiphasique
Fluides viscoélastiques
Solutions de polymères
Nombre de Reynolds
Transport de masse
Circulation océanique
Plancton -- Dynamique des populations
Courants océniques de surface -- Mesure
Dispersion lagrangienne
Couche de mélange
Amas de particules
English keyword(s) :
Turbulence
Multiphase flows
Viscoelastic
Polymer solutions
Reynolds number
Mass transport
Ocean circulation
Plankton -- Populations dynamics
Surface ocean currents -- Measurements
Lagrangian dispersion
Mixed layer
Particle clustering
Multiphase flows
Viscoelastic
Polymer solutions
Reynolds number
Mass transport
Ocean circulation
Plankton -- Populations dynamics
Surface ocean currents -- Measurements
Lagrangian dispersion
Mixed layer
Particle clustering
French abstract :
Cette habilitation à diriger des recherches présente une synthèse de l'activité de recherche que je mène au laboratoire UML depuis mon recrutement en 2012. Les travaux rapportés concernent la dynamique turbulente de certains ...
Show more >Cette habilitation à diriger des recherches présente une synthèse de l'activité de recherche que je mène au laboratoire UML depuis mon recrutement en 2012. Les travaux rapportés concernent la dynamique turbulente de certains écoulements d'intérêt industriel et environnemental. En utilisant des simulations numériques et des approches lagrangiennes, je me suis focalisé sur la caractérisation statistique des écoulements turbulents et de leurs propriétés de transport et dispersion. La première partie de la thèse porte sur la reproduction numérique de la turbulence élastique, un écoulement désordonné en espace et en temps se produisant dans les fluides viscoélastiques en l’absence d’inertie, qui est intéressant pour le mélange à faibles nombres de Reynolds. La dynamique turbulente est dans ce cas entièrement due à l'effet de rétroaction des polymères en suspension sur le fluide porteur. Des configurations géométriques sans parois et confinées sont à la fois considérées, dans l'optique de se rapprocher aux expériences et aux applications. Les résultats apparaissent prometteurs pour des recherches futures visant à améliorer la compréhension théorique, encore incomplète, du phénomène, et à explorer le transport de masse et les écoulements multiphasiques dans la turbulence élastique. Dans les études présentées dans la deuxième partie de la thèse, je me suis intéressé à des modèles idéalisés de la turbulence, pertinents pour la dynamique de l’océan, en me concentrant sur le rôle des petites échelles fluides sur le transport de matériaux réactifs et inertes. Le premier sujet examiné concerne la dynamique du plancton dans des milieux hétérogènes, soit à cause de la compétition entre espèces, soit à cause de variations des propriétés environnementales dans l’espace, en présence d'un écoulement. La difficulté, et l'intérêt, du problème réside, dans ce cas, dans l'interaction complexe entre la dynamique biologique des densités de population et les processus de transport. Le travail a principalement porté sur la caractérisation des mécanismes de base contrôlant l'apparition des floraisons planctoniques, et la distribution spatiale de la population, tant sur l’horizontale que sur la verticale. Une caractéristique générale qui émerge des différents cas considérés est l'importance primaire des composantes à grande échelle de l'écoulement. Ce résultat a un intérêt général pour les systèmes de réaction et transport, mais il peut également se révéler utile pour les paramétrisations dans les modèles numériques des cycles de vie du plancton dans des conditions réalistes. Le second sujet concerne la turbulence océanique aux sous-mésoéchelles, une gamme d'échelles, rapides et de petite taille, qui sont cruciales pour les processus climatiques et l'écologie marine, et dont la dynamique n'est pas encore bien comprise. Ce travail est conduit dans le cadre d’un projet lié à la préparation d'une nouvelle mission satellite visant à mesurer les courants océaniques de surface avec une résolution spatiale sans précédent. J'ai abordé le problème en utilisant des modèles de turbulence quasi bidimensionnels pertinents pour l'océan, à différents niveaux de complexité. Comme la plupart des informations expérimentales actuellement disponibles proviennent de bouées dérivantes, j’ai particulièrement considéré la dynamique des particules de traceur lagrangiennes. A travers cette approche il a été possible de développer des méthodologies permettant d’identifier les différents régimes de dispersion, et de relier ces derniers aux caractéristiques des écoulements turbulents sous-jacents. En partant de la plus simple configuration reproduisant une sous-mésoéchelle énergétique, j'ai ensuite étendu l'étude pour considérer des modèles plus réalistes qui puissent rendre compte soit de la présence d'une couche de mélange, soit de la formation d’amas de particules. Une perspective intéressante du travail effectué ici dans le contexte de systèmes idéalisés est d'appliquer la même méthodologie aux données issues de modèles de circulation générale, afin d'explorer d’ultérieures processus physiques importants dans cette gamme d'échelles.Show less >
Show more >Cette habilitation à diriger des recherches présente une synthèse de l'activité de recherche que je mène au laboratoire UML depuis mon recrutement en 2012. Les travaux rapportés concernent la dynamique turbulente de certains écoulements d'intérêt industriel et environnemental. En utilisant des simulations numériques et des approches lagrangiennes, je me suis focalisé sur la caractérisation statistique des écoulements turbulents et de leurs propriétés de transport et dispersion. La première partie de la thèse porte sur la reproduction numérique de la turbulence élastique, un écoulement désordonné en espace et en temps se produisant dans les fluides viscoélastiques en l’absence d’inertie, qui est intéressant pour le mélange à faibles nombres de Reynolds. La dynamique turbulente est dans ce cas entièrement due à l'effet de rétroaction des polymères en suspension sur le fluide porteur. Des configurations géométriques sans parois et confinées sont à la fois considérées, dans l'optique de se rapprocher aux expériences et aux applications. Les résultats apparaissent prometteurs pour des recherches futures visant à améliorer la compréhension théorique, encore incomplète, du phénomène, et à explorer le transport de masse et les écoulements multiphasiques dans la turbulence élastique. Dans les études présentées dans la deuxième partie de la thèse, je me suis intéressé à des modèles idéalisés de la turbulence, pertinents pour la dynamique de l’océan, en me concentrant sur le rôle des petites échelles fluides sur le transport de matériaux réactifs et inertes. Le premier sujet examiné concerne la dynamique du plancton dans des milieux hétérogènes, soit à cause de la compétition entre espèces, soit à cause de variations des propriétés environnementales dans l’espace, en présence d'un écoulement. La difficulté, et l'intérêt, du problème réside, dans ce cas, dans l'interaction complexe entre la dynamique biologique des densités de population et les processus de transport. Le travail a principalement porté sur la caractérisation des mécanismes de base contrôlant l'apparition des floraisons planctoniques, et la distribution spatiale de la population, tant sur l’horizontale que sur la verticale. Une caractéristique générale qui émerge des différents cas considérés est l'importance primaire des composantes à grande échelle de l'écoulement. Ce résultat a un intérêt général pour les systèmes de réaction et transport, mais il peut également se révéler utile pour les paramétrisations dans les modèles numériques des cycles de vie du plancton dans des conditions réalistes. Le second sujet concerne la turbulence océanique aux sous-mésoéchelles, une gamme d'échelles, rapides et de petite taille, qui sont cruciales pour les processus climatiques et l'écologie marine, et dont la dynamique n'est pas encore bien comprise. Ce travail est conduit dans le cadre d’un projet lié à la préparation d'une nouvelle mission satellite visant à mesurer les courants océaniques de surface avec une résolution spatiale sans précédent. J'ai abordé le problème en utilisant des modèles de turbulence quasi bidimensionnels pertinents pour l'océan, à différents niveaux de complexité. Comme la plupart des informations expérimentales actuellement disponibles proviennent de bouées dérivantes, j’ai particulièrement considéré la dynamique des particules de traceur lagrangiennes. A travers cette approche il a été possible de développer des méthodologies permettant d’identifier les différents régimes de dispersion, et de relier ces derniers aux caractéristiques des écoulements turbulents sous-jacents. En partant de la plus simple configuration reproduisant une sous-mésoéchelle énergétique, j'ai ensuite étendu l'étude pour considérer des modèles plus réalistes qui puissent rendre compte soit de la présence d'une couche de mélange, soit de la formation d’amas de particules. Une perspective intéressante du travail effectué ici dans le contexte de systèmes idéalisés est d'appliquer la même méthodologie aux données issues de modèles de circulation générale, afin d'explorer d’ultérieures processus physiques importants dans cette gamme d'échelles.Show less >
English abstract : [en]
This habilitation thesis presents a synthesis of the research activity I have been conducting at UML laboratory since I joined it in 2012. The work here reported concerns the turbulent dynamics of some fluid flows of ...
Show more >This habilitation thesis presents a synthesis of the research activity I have been conducting at UML laboratory since I joined it in 2012. The work here reported concerns the turbulent dynamics of some fluid flows of industrial and environmental interest. Relying on numerical simulations and Lagrangian approaches, where appropriate, I focused on the statistical characterization of the turbulent flows and of their transport and dispersion properties. The first part of the thesis is devoted to the numerical reproduction of elastic turbulence, a spatially and temporally disordered flow state occurring in inertialess viscoelastic fluids, which is relevant to achieve mixing in low-Reynolds-number situations. The turbulent-like dynamics are in this case entirely due to the feedback effect of the suspended polymers on the carrying fluid. Both unbounded and confined geometrical configurations are considered, in the perspective of getting closer to experimental setups and applications. The results appear interesting for future research directed to improve the still incomplete theoretical understanding of the phenomenon, and to investigate mass transport and multiphase flows in elastic turbulence. In the studies presented in the second part of the thesis I explored idealized turbulence models relevant for upper-ocean dynamics, focusing on the role of small flow scales on the transport of both reactive and inert material. The first subject I considered concerns plankton dynamics in heterogeneous conditions, arising from either species competition or spatial variations of environmental properties, in the presence of a fluid flow. The difficulty, and the interest, of the problem here resides in the complex interplay between the reactive nature of the biological population densities and the flow transport processes. The work mainly addressed the characterization of the basic mechanisms controlling the onset of plankton blooms, and the population spatial distribution, in both horizontal and vertical fluid layers. A general feature emerging from the different cases considered is the primary importance of the large-scale components of the flow. This seems an interesting result on the basic properties of reaction-transport systems, but it can be also relevant for parametrizations in numerical models of plankton life cycles in realistic oceanic flow conditions. The second subject deals with turbulence at ocean submesoscales, a range of small and fast scales that are crucial for climate processes and marine ecology, whose dynamics are still only poorly known. This work is part of a project related to the preparation of a new satellite mission that should provide measurements of surface ocean currents at unprecedented spatial resolution. I addressed the problem using quasi two-dimensional turbulence models relevant for the ocean, with increasing degrees of complexity. As most of the presently available experimental information comes from drifting buoys, I particularly focused on the dynamics of Lagrangian tracer particles. Through this approach it has been possible to develop methodologies allowing to identify different particle dispersion regimes, and to relate them to the characteristics of the underlying turbulent flows. Starting from the simplest configuration capable of reproducing energetic submesoscales, I then extended the study to consider more realistic models accounting for either the presence of a surface mixed layer, or particle clustering. An interesting perspective of the work carried out here in the context of idealized systems is to apply the same methodology to data from general circulation models, which may allow to explore further key physical processes in this range of scales.Show less >
Show more >This habilitation thesis presents a synthesis of the research activity I have been conducting at UML laboratory since I joined it in 2012. The work here reported concerns the turbulent dynamics of some fluid flows of industrial and environmental interest. Relying on numerical simulations and Lagrangian approaches, where appropriate, I focused on the statistical characterization of the turbulent flows and of their transport and dispersion properties. The first part of the thesis is devoted to the numerical reproduction of elastic turbulence, a spatially and temporally disordered flow state occurring in inertialess viscoelastic fluids, which is relevant to achieve mixing in low-Reynolds-number situations. The turbulent-like dynamics are in this case entirely due to the feedback effect of the suspended polymers on the carrying fluid. Both unbounded and confined geometrical configurations are considered, in the perspective of getting closer to experimental setups and applications. The results appear interesting for future research directed to improve the still incomplete theoretical understanding of the phenomenon, and to investigate mass transport and multiphase flows in elastic turbulence. In the studies presented in the second part of the thesis I explored idealized turbulence models relevant for upper-ocean dynamics, focusing on the role of small flow scales on the transport of both reactive and inert material. The first subject I considered concerns plankton dynamics in heterogeneous conditions, arising from either species competition or spatial variations of environmental properties, in the presence of a fluid flow. The difficulty, and the interest, of the problem here resides in the complex interplay between the reactive nature of the biological population densities and the flow transport processes. The work mainly addressed the characterization of the basic mechanisms controlling the onset of plankton blooms, and the population spatial distribution, in both horizontal and vertical fluid layers. A general feature emerging from the different cases considered is the primary importance of the large-scale components of the flow. This seems an interesting result on the basic properties of reaction-transport systems, but it can be also relevant for parametrizations in numerical models of plankton life cycles in realistic oceanic flow conditions. The second subject deals with turbulence at ocean submesoscales, a range of small and fast scales that are crucial for climate processes and marine ecology, whose dynamics are still only poorly known. This work is part of a project related to the preparation of a new satellite mission that should provide measurements of surface ocean currents at unprecedented spatial resolution. I addressed the problem using quasi two-dimensional turbulence models relevant for the ocean, with increasing degrees of complexity. As most of the presently available experimental information comes from drifting buoys, I particularly focused on the dynamics of Lagrangian tracer particles. Through this approach it has been possible to develop methodologies allowing to identify different particle dispersion regimes, and to relate them to the characteristics of the underlying turbulent flows. Starting from the simplest configuration capable of reproducing energetic submesoscales, I then extended the study to consider more realistic models accounting for either the presence of a surface mixed layer, or particle clustering. An interesting perspective of the work carried out here in the context of idealized systems is to apply the same methodology to data from general circulation models, which may allow to explore further key physical processes in this range of scales.Show less >
Language :
Anglais
Collections :
Submission date :
2023-02-27T11:36:51Z
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