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| Detailed view | Habilitation à diriger des recherches |
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| Ecole Normale Supérieure de Paris - ENS Paris (05/11/2009), Marc-Etienne Brachet (Pr.) |
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| Attached file list to this document: | |||||
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| Turbulences |
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| Nicolas Mordant1 |
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| Ce document est une synthèse de mes travaux de recherche en Physique qui s'articule selon trois axes: turbulence hydrodynamique, magnétohydrodynamique et turbulence d'onde. J'ai développé des techniques de mesure originales destinées à l'analyse lagrangienne de la turbulence hydrodynamique: il s'agit de suivre le mouvement de particules entraînées par un écoulement à haut nombre de Reynolds. Malgré le fait que la statistique de vitesse Lagrangienne soit gaussienne avec une décorrélation exponentielle, la modélisation de l'écoulement par une équation de Langevin est insuffisante à cause la très forte intermittence de la vitesse Lagrangienne. Celle-ci se traduit en particulier par un distribution fortement non gaussienne de l'accélération. En comparant les données expérimentales avec un modèle de marche aléatoire multifractale, nous avons mis en évidence le lien entre corrélations temporelles longues de l'amplitude de l'accélération et les propriétés statistiques d'intermittence. Une description multifractale suggère par ailleurs une certaine universalité de l'intermittence Lagrangienne entre différents écoulements expérimentaux ou numériques. Les mêmes techniques expérimentales sont appliquées à l'étude de la dynamique de particules inertielles. Cela permet en particulier d'améliorer la modélisation des effets d'inertie et de taille finie dans les simulations numériques. Finalement, j'analyse le lien entre le mouvement des particules de fluide et les propriétés de transport de scalaire passif. Je participe également à la collaboration VKS dont le but est l'étude expérimentale de l'effet dynamo, c'est-à-dire la génération d'un champ magnétique par le mouvement d'un fluide conducteur (du sodium liquide dans notre cas). Nous avons mis en évidence cet effet en 2006 et montré l'existence de régimes dynamiques du champ magnétique qui, pour certains, ressemblent fortement aux renversements du champ magnétique terrestre. Nous avons montré que les conditions aux limites jouent un rôle crucial. Les régimes dynamiques correspondent au comportement attendu par des systèmes dynamiques de basse dimension malgré le fait que l'écoulement est fortement turbulent et fait donc intervenir un grand nombre de degrés de liberté. Pour étudier la saturation de la croissance du champ dynamo, nous avons mis en oeuvre à l'ENS Paris, une expérience dans le gallium dans laquelle nous étudions l'effet d'un champ magnétique élevé sur un écoulement turbulent. Les effets de freinage magnétique ont été mis en évidence. Finalement, j'ai développé récemment une expérience de turbulence d'onde. La turbulence d'onde présente des ressemblances phénoménologiques avec la turbulence hydrodynamique, avec l'avantage d'une théorie statistique: la turbulence faible. Nous étudions expérimentalement les vibrations d'une tôle mince en acier inoxydable. Une technique de profilométrie par transformée de Fourier à haute vitesse permet de mesurer l'évolution temporelle de la déformation de la plaque résolue à la fois en temps et en espace. Les propriétés statistiques de ces vibrations sont en désaccord quantitatif avec la théorie mais la phénoménologie semble similaire. Ces nouvelles mesures ouvrent de nombreuses perspectives d'interaction avec les théoriciens de la turbulence d'onde. |
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| 1: | LPS - Laboratoire de Physique Statistique de l'ENS |
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| turbulence – turbulence d'onde – particules Lagrangienne – particules inertielles – magnetohydrodynamique – dynamo |
| Turbulences |
| This document synthesizes my research work in Physics. It can be divided into three themes: hydrodynamical turbulence, magnetohydrodynamics and wave turbulence. I developed some original experimental techniques devoted to the Lagrangian analysis of hydrodynamical turbulence. It consists in tracking particles transported by a highly turbulent flow. Despite the velocity statistics is Gaussian with exponential decorrelation, modeling the flow by a Langevin equation is insufficient due to the strong intermittency of the Lagrangian velocity field. It appears in particular as a strongly non Gaussian distribution of the acceleration. By comparing the experimental data with a multifractal random walk model, we evidenced the link between long time correlations of the acceleration magnitude and the statistical properties of intermittence. A multifractal analysis suggests also some universality of the Lagrangian intermittence. The same experimental techniques are applied to the study of the dynamics of inertial particles. It allows us to improve the modeling of inertial and finite size effects of particles in numerical simulations. Finally I analyze to relation between particle trajectories and passive scalar transport. I also take part in the VKS collaboration devoted to the experimental study of the dynamo effect, i.e. the generation of a magnetic field by the motion of a electrically conducting fluid (liquid sodium here). We observed this effect in 2006 and show the occurrence of dynamical regimes of the magnetic field, reminiscent to the reversal of the terrestrial magnetic field. We showed that boundary conditions are of prime importance. The observed dynamical regimes resemble the behavior of low dimension dynamical systems despite the strong turbulence of the flow. To study the saturation of the growth of the magnetic field, we built a gallium experiment in ENS Paris devoted to the study of the influence of a strong magnetic field on turbulence. Strong magnetic braking effects are observed. Finally, I developed recently a wave turbulence experiment. Wave turbulence shows phenomenological similarities with hydrodynamical turbulence but is supported by a statistical theory: weak turbulence. We study the vibrations of a thin plate made of stainless steel. A high speed Fourier transform profilometry technique provides a measurement of the plate deformation which is resolved both in time and space. The statistical properties of the plate motion are in quantitative disagreement with the weak turbulence theory but the phenomenology seems very close. These new measurements open vast perspectives of interaction with wave turbulence theoreticians. |
| turbulence – wave turbulence – Lagrangian particle – inertial particle – magnetohydrodynamics – dynamo |
| tel-00436459, version 1 | |
| http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00436459 | |
| oai:tel.archives-ouvertes.fr:tel-00436459 | |
| From: Nicolas Mordant | |
| Submitted on: Thursday, 26 November 2009 17:42:53 | |
| Updated on: Thursday, 26 November 2009 17:44:54 | |
