Turbulent mixing driven by variable density and transport coefficients effects
Mélange turbulent contrôlé par effets de densité variable et coefficients de transport
Résumé
This thesis is dedicated to the study of turbulent mixing in flows with variable density and non-uniform transport coefficients. We use a new direct numerical simulation (DNS) code based on a two-dimensional domain decomposition, capable of taking into account variable density and diffusive contributions. At first, we consider the case of turbulence in weakly-coupled plasmas under isotropic compression, which can experience a sudden dissipation of kinetic energy due to the growth of the viscosity coefficient due to temperature increase. In this case, in addition to DNS we use a spectral model based on the Eddy-Damped Quasi-Normal Markovian closure. We evidence the sensitivity of the flow dynamics to initial conditions for homogeneous isotropic turbulence and an inhomogeneous spherical turbulent layer. In the latter case, we find, also, the first hint of a sudden diffusion effect. The importance of initial conditions is also shown in the study of the variable density unstably stratified homogeneous turbulence. If the initial density contrasts are sufficiently strong, the large scales of the flow are modified with the consequent modification of the self-similar scaling laws. Finally, we consider an idealized configuration of inertial confinement fusion implosion, with both variable density and transport coefficients effects. During the compression, we evidence the competition between the plasma molecular diffusion, which is enhanced by the temperature increase, and the turbulent diffusion, which on the contrary decreases due to the increased viscous dissipation. In the last phase of the implosion, we highlight a sudden diffusion process, where compressed spherical mixing layers are quickly diffused.
Cette thèse est consacrée à l’étude du mélange turbulent dans des écoulements à densité variable et à coefficients de transport non uniformes. Nous utilisons un nouveau code de simulation numérique directe (DNS) basé sur une décomposition bidimensionnelle du domaine, capable de prendre en compte la densité variable et les contributions diffusives. Dans un premier temps, nous considérons le cas de la turbulence dans les plasmas faiblement couplés en compression isotrope, qui peuvent subir une dissipation soudaine d’énergie cinétique due à la croissance du coefficient de viscosité par une augmentation de la température. Dans ce cas, en plus des DNS, nous utilisons un modèle spectral basé sur la fermeture Eddy-Damped Quasi-Normal Markovian. On démontre la sensibilité de l’écoulement aux conditions initiales pour une turbulence homogène isotrope et une couche sphérique turbulente. Dans ce dernier cas, nous trouvons aussi la première indication d’un effet de diffusion soudain. L’importance des conditions initiales est également mise en évidence par l’étude de la turbulence homogène stratifiée instable à densité variable. Si les contrastes de densité initiale sont suffisamment forts, les grandes échelles de l’écoulement sont modifiées avec pour conséquence la modification des lois d’échelle des états autosemblables. Enfin, nous considérons une configuration idéalisée d’implosion de fusion par confinement inertiel, avec des effets de densité variable et des coefficients de transport. Pendant la compression, nous mettons en évidence la compétition entre la diffusion moléculaire du plasma, qui est renforcée par l’augmentation de la température, et la diffusion turbulente, qui au contraire diminue en raison de la croissance de la dissipation visqueuse. Dans la dernière phase de l’implosion, nous mettons en évidence un processus de diffusion soudaine, où les couches de mélange sphériques en compression sont rapidement diffusées.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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