PROPOSITION DE SUJET DE STAGE ET DE THESE
Advection chaotique de la chaleur dans un écoulement fluide modèle
Laboratoire : LIMSI
Responsables du stage : Luc Pastur, Mojtaba Jaharri
Téléphone : 01 69 85 80 77
Projet : Stage M2 + Thèse (SMeMAG)
L’analyse lagrangienne d’un écoulement fluide consiste à « étiqueter » un certain nombre de traceurs,
passifs ou non, et d’en suivre les trajectoires au cours du temps, compte-tenu du champ de vecteurs qui
pilote leur évolution. Cette analyse permet de révéler la structure topologique de l’écoulement : régions
dynamiquement importantes, attractives ou répulsives, barrières infranchissables au sein du fluide ou zones
de mélange, etc. Par exemple, les trajectoires des particules fluides (traceurs passifs) sont directement pilotées
par le champ de vitesse, et lorsque l’écoulement est incompressible, sa description (lagrangienne) est analogue
à celle d’un système dynamique conservatif, évoluant dans un espace des états de la dimension de l’espace
physique (2D ou 3D) [1]. En effet, on peut formellement écrire :
˙
X=U(X, t),div U= 0,
où Xest la position de la particule fluide et Ule champ de vitesse à divergence nulle dans le cas d’un écou-
lement incompressible. Lorsque l’écoulement est bi-dimensionnel, le système présente de plus une structure
hamiltonienne où la fonction courant ψfait office d’Hamiltonien pour le système.
On peut sur le même principe définir une « particule de chaleur » par analogie avec la particule fluide. Le
système dynamique équivalent, du type ˙
X=u(X, t), fait un alors intervenir un champ de vitesse uqui n’est
plus à divergence nulle, même si le champ de vitesse total Ul’est toujours. Le système dynamique équivalent
est maintenant dissipatif [2]. Dans un tel système, un grand nombre de particules prises au hasard dans
l’écoulement tendront asymptotiquement vers un même attracteur dont la dimension peut être fractale si
la dynamique est chaotique. C’est ce type de situation que nous souhaitons étudier dans ce projet exploratoire.
La configuration choisie pour cette étude est une cavité ouverte 3D différentiellement chauffée, soumise à
la gravité, dans les conditions de Boussinesq. A bas nombres de Reynolds et de Rayleigh, une recirculation
principale, stationnaire, est engendrée par l’écoulement externe, qui se comporte comme un « tapis roulant »
pour le fluide intra-cavitaire, tandis qu’un écoulement de convection est induit par les bords amont et aval
portés à des températures différentes. Si le bord amont est plus froid que le bord aval, l’écoulement de
convection naturelle s’établit à contre-courant de la recirculation principale. On s’attend à ce que le mélange
présente dans ce cas une topologie non triviale. Au-delà d’une valeur critique du nombre de Reynolds, des
instabilités centrifuges peuvent se développer sur l’écoulement de recirculation principale [4]. Les structures
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