Etude des propriétés de la turbulence confinée en rotation à l'aide d'une méthode de pénalisation

Ce travail numérique porte sur l'étude de l'influence globale du confinement sur la turbulence. On montre, que ce soit sur le comportement Eulérien ou Lagrangien de la turbulence, que la distance à la paroi est d'une importance essentielle dans la description statistique de tels écoulements. On utilise un code pseudo-spectral tri-périodique dans lequel est implémenté une méthode de pénalisation, permettant de prendre en compte la présence de parois solides. On utilise également cette méthode pour considérer des parois mobiles afin de limiter le déclin de l'énergie cinétique

Simulation numérique d'écoulements turbulents en rotation, confinement et forçage à l'aide d'une méthode de pénalisation

A volume-penalization method is implemented in a tri-periodic pseudo-spectral code. The numerical scheme is studied and the method is tested and validated thanks to benchmarks involving linear anisotropic effects (propagation and reflection of inertial waves or internal gravity waves) or the impact of vortical structures on a penalized plane. This numerical tool is then applied to rotating turbulent flows confined in a cylindrical geometry. The global effects of confinement are observed (small-scale anisotropy) as well as near-wall local effects (modification of the pdfs , vertical elongation of the large turbulent structures, etc). Finally, the penalization method is used in order to force the turbulence in a von Kármán swirling flow context. The generated flows are studied in detail and compared to previous theoretical works. Several geometries for the blades are tested and the resulting flows exhibit significantly different structures for each shape of the blades.Une méthode de pénalisation en volume est implémentée de façon implicite dans un code pseudo-spectral tri-périodique. Le schéma est étudié et la méthode numérique est testée et validée à l'aide de benchmarks concernant des effets linéaires anisotropes -- propagation et réflexion d'ondes d'inertie et internes de gravité--ou la réflexion de structures tourbillonnaires. Cet outil numérique est alors appliqué à des écoulements turbulents en rotation confinés dans une géométrie cylindrique. Les effets globaux du confinement sont observés (anisotropie des petites échelles, etc) ainsi que des effets locaux de proche paroi (modification des pdfs, élongation verticale des grandes structures tourbillonnaires, etc). Enfin, la méthode de pénalisation est utilisée à des fins de forçage de la turbulence dans un contexte de type von Kármán et l'écoulement généré au coeur du domaine est étudié en détail et comparé à des approches théoriques. Différentes géométries pour les pales sont testées et les résultats obtenus révèlent des différences significatives dans la structure de l'écoulement en fonction de la forme des pales utilisées

Confinement of turbulent flows with rotation effects with a penalization method

We want to analyse the structuration and dynamics of homogeneous turbulence in a cylindrical container with open periodic ends, placed in a rotating frame. To that extent, we performed pseudo-spectral Direct Numerical Simulations at di erent Rossby and Reynolds numbers using a penalization technique to take into account the radial con nement. A rst part of the presentation is dedicated to the validation of this numerical method by considering the impact of a vortex ring on a at \penalized" wall and compare the results obtained with the existing experimental data. A second part will then describe the dynamics of the cylindrical ow as well as its anisotropic structure and its main Lagrangian statistics

Numerical validation of the volume penalization method in three-dimensional pseudo-spectral simulations

International audienc

Turbulence, inertial waves and vortex column formation in a rotating fluid

International audienceIn order to investigate turbulence in rotating fluids, we consider in this experimental-numerical study, the locally generated turbulence though inertial-wave focusing and the role of inertial waves in the inverse energy cascade and the transfer of momentum. With a vertically oscillating torus in a rotating fluid, two inertial waves cones are generated; their energy focusing at the apex of the wave cones. For large amplitude oscillations, turbulence is generated locally around the focal point resulting in angular momentum mixing and the generation of a columnar cyclonic vortex, suggesting that there are nonlinear dynamics underlying the wave induced transport of momentum towards columnar vortices in rotating turbulence (see [1]). Quantitative data is acquired from Stereo PIV measurements and complementary information about the flow is obtained from high resolution numerical simulations