Résumé :
Le taux de dissipation correspond à la part de l’énergie cinétique d’un fluide transformée en chaleur sous l’action des frottements visqueux. Il est ainsi crucial pour déterminer la consommation d’énergie d’un objet immergé dans un fluide (véhicule, mélangeur, …) ou les échanges d’énergies dans les écoulements géophysiques. Cette quantité est néanmoins extrêmement difficile à mesurer, expérimentalement comme numériquement, de par les échelles spatiales et temporelles en jeu dans les écoulements turbulents. L’objectif de ma thèse est d’apporter une nouvelle technique expérimentale permettant d’obtenir une mesure résolue spatialement et temporellement du taux de dissipation à l’interface (paroi, surface libre, …) d’un écoulement. Cette technique, connue sous le nom anglais de Diffusing-Wave Spectroscopy (DWS), permet de sonder des échelles inaccessibles avec les techniques usuelles.
On détaillera dans un premier temps le principe de la DWS, qui repose sur l’approximation de diffusion pour décrire la diffusion multiple de la lumière dans le fluide et consiste en l’analyse des fluctuations temporelles de l’intensité diffusée.
On montrera ensuite comment nous avons validé son utilisation grâce à un écoulement classique, l’écoulement de Taylor-Couette, avant de présenter les résultats de nos mesures dans un écoulement pleinement turbulent.
Mots-clés : Diffusion multiple de la lumière, Taux de dissipation, Spectroscopie non destructive, Turbulence, Approximation de diffusion, Taylor-Couette.
Spatio-temporal measurement of dissipation rates at flow interfaces by multiple light scattering
Abstract:
The dissipation rate is the part of a fluid’s kinetic energy that is transformed into heat by the action of viscous friction. It is therefore crucial for determining the energy consumption of an object immersed in a fluid (vehicle, mixer, etc.) or the energy exchanges in geophysical flows. However, this quantity is extremely difficult to measure, both experimentally and numerically, due to the spatial and temporal scales involved in turbulent flows. The aim of my thesis is to provide a new experimental technique for obtaining spatially and temporally resolved measurements of the dissipation rate at the interface (wall, free surface, etc.) of a flow. This technique, known as Diffusing-Wave Spectroscopy (DWS), makes it possible to probe scales inaccessible with conventional techniques.
We will begin by explaining the principle of DWS, which relies on the diffusion approximation to describe multiple light scattering in the fluid and consists in analyzing temporal fluctuations in the scattered intensity.
We will then show how we have validated its use with a classical flow, the Taylor-Couette flow, before presenting the results of our measurements in a fully turbulent flow.
Keywords: Diffusing-Wave Spectroscopy, Dissipation rate, Multiple light scattering, Turbulence, Diffusion approximation, Taylor-Couette.