Turbulence et dispersion dans des écoulements complexes

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 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.