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Intitulé de la thèse : Dynamique des particules d’inertie dans une interface turbulente/non turbulente

L’immense majorité des écoulements de fluides naturels, qu’ils se produisent dans l’atmosphère, l’océan ou les rivières, sont des écoulements turbulents. Cette turbulence se caractérise par des tourbillons, des vortex et des fluctuations rapides de la vitesse du fluide. En raison de leur caractère aléatoire, ces écoulements sont très complexes à étudier et à modéliser. De plus, de nombreux écoulements turbulents dans l’environnement transportent une seconde phase de matière, comme les nuages atmosphériques advectant des gouttelettes d’eau. Cette seconde phase ne suit pas exactement le mouvement du fluide; au contraire, l’inertie de ces inclusions, due à leur densité et leur taille, les amène à tracer leur propre trajectoire. Elles sont ainsi appelées particules inertielles et interagissent de manière complexe avec la turbulence.
Au cours des dernières décennies, la plupart des études sur l’interaction particules/turbulence se sont concentrées sur le cas simplifié des écoulements turbulents homogènes et isotropes. Néanmoins, de nombreux écoulements naturels présentent une turbulence non homogène avec une interface turbulente/non turbulente. Une interface turbulente désigne une région du fluide séparant deux écoulements avec des états turbulents différents. Ces interfaces sont omniprésentes dans la nature, mais très peu étudiées lorsqu’elles sont chargées en particules inertielles. Cette thèse a pour objectif de comprendre la dynamique des particules inertielles lorsqu’elles sont advectées par une interface turbulente.

Au cours d’essais en soufflerie, nous avons créé une interface turbulente, et introduit des gouttelettes uniquement du côté fortement turbulent de l’interface. La dynamique de ces particules inertielles est alors modifiée par la présence de l’interface en comparaison avec le cas de la turbulence homogène. Nous avons analysé plus particulièrement l’impact de l’interface sur la vitesse de sédimentation des particules et leur capacité à se regrouper en amas denses, autrement appelés clusters. Nous avons constaté que les gouttelettes situées au niveau de l’interface forment des clusters larges et denses et subissent une forte augmentation de leur vitesse de chute.

Les résultats obtenus lors de cette thèse peuvent être appliqués au processus se déroulant à la frontière des nuages atmosphériques. En effet, dans le cas des nuages cumulus, l’intérieur du nuage chargé en gouttelettes d’eau est plus turbulent que l’air sec environnant. Ces résultats sont importants car comprendre les mécanismes d’entrainement d’air aux frontières des nuages, même à petites échelles, ont des répercussions sur leur propriétés macroscopiques. À long terme, ces résultats permettent de renforcer la précision des modèles météorologiques et climatiques vis-à-vis de ces processus de sous-mailles.

Mots clés : Turbulence, étude expérimentale, dynamique des particules d’inertie, interface turbulente/non-turbulente

École doctorale : ED I-MEP² - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Énergétique, Procédés, Production
Laboratoire d’accueil : Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (LEGI - CNRS, Grenoble INP-UGA, UGA)
Direction de thèse : Martín OBLIGADO, Alberto ALISEDA et Nathanaël MACHICOANE

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