Simulation numérique directe de la turbulence en présence d ... - ISAE

30 Chapitre 1. Contexte scientifique
aux limites, même méthode de calcul) fournissent non pas un résultat mais un ensemble de
réalisations. L’agitation turbulente possède donc un caractère aléatoire, ce qui justifie la mise
en place d’un post-traitement statistique de la turbulence (cf. 2.2).
(a) Nuage de fumée au-dessus du volcan
Grimsvoeth, Islande, 21 mai 2011
(b) Allées de Von-Kàrmàn aux
niveaux des Îles Canaries
Figure 1.14 – Visualisation d’écoulements turbulents réels
1.2.1.2 Principales propriétés d’un écoulement turbulent
Il serait précipité de désigner la turbulence comme un phénomène uniquement aléatoire,
car depuis quelques années, nous savons qu’il existe des mouvements organisés identifiables au
sein de l’écoulement, même en régime pleinement turbulent. Voici une liste des caractéristiques
essentielles de la turbulence :
Irrégularité du mouvement : c’est la caractéristique la plus facilement observable. Les
variables comme la vitesse, la pression, la masse volumique ou encore la température présentent
des fluctuations aléatoires.
Nombre de Reynolds élevé : l’origine de la turbulence est le résultat d’une déstabilisation
de l’écoulement laminaire qui intervient lorsque le nombre de Reynolds dépasse une certaine
valeur critique. Pour de faibles nombres de Reynolds, l’écoulement demeure laminaire de manière
permanente, toute éventuelle instabilité étant immédiatement corrigée par la prépondérance
des effets stabilisants. Par contre, dès que ce nombre devient grand, l’écoulement est le siège
d’un régime turbulent (Fig. 1.15(a)). Il représente le rapport entre le temps nécessaire à une
perturbation pour être amortie par la viscosité du fluide et le temps mis par une particule pour
traverser une distance caractéristique de l’écoulement sous l’effet de son inertie [32].
Diffusivité accrue et cinématique rotationnelle : la turbulence accélère le processus de
mélange par le brassage et la dispersion qu’elle engendre, de plus les écoulements turbulents
sont fortement rotationnels ; ces propriétés sont observables dans le cas simple d’un café que
l’on mélange (Fig. 1.15(b)). Ces structures tourbillonnaires jouent un rôle important dans les
mécanismes de transfert d’énergie.
Dissipation : les écoulements turbulents sont toujours dissipatifs. L’énergie cinétique turbulente
est dissipée par les contraintes visqueuses, on parle de décroissance de la turbulence.