Compressible turbulent mixing subjected to strong radiation
Mélanges turbulents compressibles en présence d’un fort rayonnement
Résumé
Turbulent mixing plays a preponderant role in the evolution of stars. In particular, they are necessary to explain the abundance of some elements or to account for the dissipation of angular momentum observed in some stars. These turbulent mixing are generated and maintained by various mechanisms: from rotation to magnetic instabilities and shearing. Among these different processes, Rayleigh-Taylor convective instabilities have already been the subject of numerous theoretical, experimental and numerical studies. However, most of these studies are restricted to situations where radiation is absent. On the contrary, in stars, the consideration of radiation is essential: the latter is generally more effective in transporting temperature fluctuations than the turbulent motions themselves. The comparison of these two modes of transport is done using a dimensionless number called Péclet number. The turbulent stellar mixing impacted by the Rayleigh-Taylor instability is then characterized by a small number of Péclet below one. The aim of this work is to study turbulent mixing flows generated by Rayleigh-Taylor instabilities in the presence of radiation, within the limits of low Péclet numbers. In particular, the major outcome deals with the derivation and the validation of a RSM (Reynolds stress model) type of turbulence model accounting for mixing effects and adapted to radiative compressible flows within the small Péclet limit.
Les mélanges turbulents jouent un rôle prépondérant dans l’évolution des étoiles. Ils sont notamment nécessaires pour expliquer l’abondance de certains éléments ou pour rendre compte de la dissipation du moment angulaire observée dans certaines étoiles. Ces mélanges turbulents sont générés et entretenus par différents mécanismes : de la rotation aux instabilités magnétiques et au cisaillement. Parmi ces différents processus, les instabilités convectives de Rayleigh-Taylor ont déjà fait l’objet de nombreuses études théoriques, expérimentales et numériques. Cependant, la majorité de ces études se limitent à des situations où les effets radiatifs sont absents. Au contraire, dans les étoiles, la prise en compte du rayonnement est essentielle : ce dernier est généralement plus efficace pour transporter les fluctuations de température que les mouvements turbulents eux-mêmes. La comparaison de ces deux modes de transport se fait à l’aide d’un nombre sans dimension appelé nombre de Péclet. Les mélanges turbulents des intérieurs stellaires impactés par l’instabilité de Rayleigh-Taylor sont alors caractérisés par un petit nombre de Péclet, inférieur à un. L’objectif de ce travail est d’étudier les écoulements de mélanges turbulents générés par l’instabilité de Rayleigh-Taylor en présence de rayonnement, dans les limites des faibles nombres de Péclet. En particulier, le résultat majeur concerne la dérivation et la validation d’un modèle de turbulence de type RSM (Reynolds stress model) qui prend en compte les effets de mélange et qui soit adapté aux écoulements compressibles radiatifs dans la limite des faibles nombres de Péclet.
Domaines
Physique mathématique [math-ph]
Origine : Version validée par le jury (STAR)