Mise en évidence expérimentale de l'intermittence dans un jet cryogénique turbulent d'hélium normal et superfluide

Cette thèse de doctorat à été réalisée au sein du Laboratoire des Écoulements Géophysiques et Industriels (LEGI) et du Service des Basses Températures du CEA de Grenoble. Ce travail expérimental a porté sur l'étude comparative de la turbulence classique et quantique à très grand nombre de Reynolds d'un écoulement turbulent de jet d'hélium liquide normal (HeI) et superfluide (HeII) entre 2.3K et 1.78K. Le travail s est en premier lieu concentré sur le développement des moyens d'essais (une soufflerie cryogénique à boucle fermée pressurisée et régulée en température) et sur l'adaptation de la technique de l'anémomètrie à fil chaud aux basses températures. L étude s est poursuivie par l'analyse statistique du champ de vitesse en He I et, plus particulièrement, des incréments spatiaux de vitesse en fluide normal montrant un bon accord avec la littérature et fournissant un véritable point de départ pour la mise en évidence de comportements différents en HeII. Les résultats obtenus en superfluide montrent d'une part un comportement classique à grande échelle et, d autre part, des écarts aux petites échelles qui dépendent de la température du fluide (i.e. de la fraction variable de superfluide). L'effet le plus évident se manifeste par un changement du signe de la fonction de structure d'ordre 3 des incréments de vitesse.This experimental work is focused on the the statistical study of the high Reynolds number turbulent velocity field in an inertially driven liquid helium axis-symmetric round jet at temperatures above and below the lambda transition (between 2.3 K and 1.78 K) in a cryogenic wind tunnel. The possibility to finely tune the fluid temperature allows us to perform a comparative study of the quantum HeII turbulence within the classical framework of the Kolmogorov turbulent cascade in order to have a better understanding of the energy cascade process in a superfluid. In particular we focused our attention on the intermittency phenomena, in both He I and He II phases, by measuring the high order statistics of the longitudinal velocity increments by means of the flatness and the skewness statistical estimators.A first phase consisted in developing the cryogenic facility, a closed loop pressurized and temperature regulated wind tunnel, and adapting the classic hot-wire anemometry technique in order to be able to work in such a challenging low temperature environment. A detailed calibration procedure of the fully developed turbulent flow was the carried out at 2.3 K at Reynolds numbers based on the Taylor length scale up to 2600 in order to qualify our testing set-up and to identify possible facility-related spurious phenomena. This procedure showed that the statistical properties of the longitudinal velocity increments are in good agreement with respect to previous results.By further reducing the temperature of the working fluid (at a constant pressure) below the lambda point down to 1.78K local velocity measurements were performed at different superfluid density fractions. The results show a classic behaviour of the He II energy cascade at large scales while, at smaller scales, a deviation has been observed. The occurence of this phenomenon, which requires further investigation and modelling, is highlighted by the observed changing sign of the third order structure function of the longitudinal velocity increments. The intermittency phenomena is also observed and a quantitative analysis is carried out by measuring the scaling behaviour of the velocity increments flatness which is consistent with results obtained in Navier-Stokes fluids. This Ph.D. thesis has been carried out at the LEGI (Laboratoire des Écoulement Géophysiques et Industriels) laboratory in Grenoble and at the CEA Low Temperature Department (SBT) in Grenoble.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Distributions temps-fréquence et spectroscopie acoustique résolue en temps et en échelle de la turbulence

Le champ de vorticité (rotationnel du champ de vitesse) joue un rôle essentiel dans le comportement dynamique des écoulements turbulents. En particulier, tous les mécanismes connus de transfert de l'énergie cinétique (cascade) des grandes échelles de l'écoulement (échelles d'injection) vers les plus petites échelles où dominent les effets visqueux (échelles de dissipation) impliquent directement le champ de vorticité. C'est le cas, par exemple, du mécanisme d'étirement des filaments de vorticité, par lequel un tube de vorticité, soumis à un gradient de vitesse axial, voit son diamètre diminuer en raison du théorème de Kelvin traduisant la conservation du moment cinétique. Nous présentons une méthode d'analyse directe du champ de vorticité fondée sur la diffusion cohérente ("scattering") d'ondes acoustiques. On montre, en effet, que sous certaines hypothèses peu restrictives, l'amplitude du signal de pression acoustique diffusée est reliée linéairement à la transformée de Fourier spatiale de la distribution de vorticité à l'intérieur du volume défini par l'intersection des pinceaux acoustiques incident et détecté. La diffusion d'ondes acoustiques permet donc d'accéder, de façon globale (moyenne sur un volume fini) et directe, à la dynamique spatio-temporelle du champ de vorticité d'un écoulement turbulent. Dans cette communication nous démontrons, sur des bases expérimentales, comment le recours à l'analyse temps-fréquence et à l'interféromètrie permet de restaurer une résolution temporelle et spatiale, a priori incompatibles avec le caractère spectral de tout technique de mesure fondée sur la diffusion d'ondes

Vorticity scattering measurements in a superfluid inertial round jet

International audienceThe aim of this proceeding paper is twofold. First, we present a newly developed cryogenic testing facility where a steady high Reynolds liquid helium inertial round jet flow is generated allowing to address classical turbulence issues, such as statistical intermittency, and quantum turbulence when the facility is operating in superfluid helium. Secondly we present the first spatial Fourier vorticity modes measurements made both above and below the superfluid transition at different nozzle velocities. These preliminary results were obtained by probing the vorticity flow-field with the ultrasonic scattering technique

Turbulent transport of material particles: An experimental study of finite size effects

We use an acoustic Lagrangian tracking technique, particularly adapted to measurements in open flows, and a versatile material particles generator (in the form of soap bubbles with adjustable size and density) to characterize Lagrangian statistics of finite sized, neutrally bouyant, particles transported in an isotropic turbulent flow of air. We vary the size of the particles in a range corresponding to turbulent inertial scales and explore how the turbulent forcing experienced by the particles depends on their size. We show that, while the global shape of the intermittent acceleration probability density function does not depend significantly on particle size, the acceleration variance of the particles decreases as they become larger in agreement with the classical scaling for the spectrum of Eulerian pressure fluctuations in the carrier flow

3D Acoustic Lagrangian Velocimetry

International audienceWe report Lagrangian measurements obtained with an acoustic Doppler velocimetry technique. From the Doppler frequency shift of acoustic waves scattered by tracer particles in a turbulent flow, we are able to measure the full three-component velocity of the particles. As a first application, we have studied velocity statistics of Lagrangian tracers in a turbulent air jet at Rλ∼320 and at various distances from the nozzle. The choice of an air jet is motivated by the fact that jets produce a well characterized high level tubulence and open air flows are well suited to simultaneaously achieve classical hot wire Eulerian measurements. Therefore, we are also able to explicitly address the question of the differences between Eulerian and Lagrangian statistics. As Lagrangian tracers we use soap bubbles inflated with Helium which are neutrally buoyant in air and can be assimilated to fluid particles. Velocity statistics are analysed. We show that the Lagrangian autocorrelation decays faster in time than its Eulerian counterpart. Finally we present Lagrangian time velocity increments statistics which, as already reported by previous work, exhibits stronger intermittency than Eulerian velocity increments

Detection of Coherent Vorticity Structures using Time-Scale Resolved Acoustic Spectroscopy

We describe here an experimental technique based on the acoustic scattering phenomenon allowing the direct probing of the vorticity field in a turbulent flow. Using time-frequency distributions, recently introduced in signal analysis theory, for the analysis of the scattered acoustic signals, we show how the legibility of these signals is significantly improved (time resolved spectroscopy). The method is illustrated on data extracted from a highly turbulent jet flow : discrete vorticity events are clearly evidenced. We claim that the recourse to time-frequency distributions lead to an operational definition of coherent structures associated with phase stationarity in the time-frequency plane.Comment: 26 pages, 6 figures. Latex2e format Revised version : Added references, figures and Changed conten

Constrained dynamics of an inertial particle in a turbulent flow

Most numerical studies for freely advected inertial particles in turbulent flow, only considering the Stokes drag force on the particle, fail to predict recent experimental results for finite size particles. These questions have motivated new experiments trying to emphasize the role of the drag force by constraining the particle dynamics. We focus here on the influence of particles inertia on velocity and acceleration statistics. Our results show that a good qualitative agreement with stokesian models is then recovered

Production turbulente en aval d'une grille fractale

La zone de production générée en aval d'une grille fractale de maille carrée est étudiée au travers de mesures expérimentales de vitesse et de vorticité. Cette étude révèle que la position du pic de production est indépendante de la vitesse moyenne imposée dans la soufflerie. Les mesures de vitesse dans le voisinage immédiat de la grille mettent en évidence la présence d'oscillations à grande échelle (15 cm) qui persistent sur une grande distance en aval de la grille. En parallèle, une turbulence multi-échelle est progressivement produite en s'éloignant de la grille sous la forme de bouffées turbulentes locales comme en témoignent les signaux de vitesse et de vorticité. La comparaison simultanée entre la vitesse grande échelle et la vorticité petite échelle montre l'existence de fortes corrélations entre ces champs