EXPLOIT — Etude expérimentale des structures dissipatives en turbulence

Les écoulements de fluides visqueux sont omniprésents dans la nature et ont des conséquences dans de nombreux domaines de la physique, des sciences de l’ingénieur, de l’astrophysique, de la géophysique ou de l’aéronautique. Tout étudiant en sciences a appris que, si l’on mélange assez fort un fluide visqueux, il devient turbulent et présente un spectre d’énergie caractéristique du transfert d’énergie entre les échelles, au sein duquel toute l’énergie injectée à grande échelle est transférée et dissipée à petite échelle. Par contre, ce n’est que depuis les travaux de Landau et Kolmogorov en 1962 qu’on a compris que la caractérisation des propriétés de la dissipation est cruciale, non seulement pour comprendre les questions fondamentales telles l’intermittence-qui peut corriger l’exposant du spectre d’énergie-, mais également pour relever des défis pratiques tels que la réduction de trainée ou la modélisation numérique des écoulements turbulents. Le phénomène de trainée est lié à la dissipation induite par le mouvement d’un objet (comme une voiture ou un bateau) dans un fluide et est beaucoup plus fort en régime turbulent qu’en régime laminaire. Avec la fin de l’ère d’une énergie peu chère et sans limitation, il devient très important de construire des voitures, des bateaux ou des avions plus efficaces et d’essayer de diminuer leur consommation. Les progrès technologiques récents sur la trainée ont donné des résultats intéressants, mais sans réelle compréhension de l’origine de ce phénomène, ni de ses loi d’échelles. Depuis quelques années, les mathématiciens qui travaillent sur les équations régissant les fluides ont proposé de relier ces propriétés de dissipation à la présence de singularités dans l’écoulement turbulent, sans pour autant réussir à fournir une classification des structures dissipatives associées, ou de leurs propriétés, laissant encore un vaste fossé entre le phénomène physique de la trainée et son explication théorique. Le projet EXPLOIT est un projet de recherche fondamentale visant à combler une partie de ce fossé via des mesures expérimentales d'un écoulement turbulent modèle, en utilisant des techniques d’analyses multi-échelles ainsi que des outils performants de visualisation (mesure de vitesse par suivi de particules ou par images tomographiques de particules) dans une expérience de turbulence de taille métrique. Le projet EXPLOIT s’inscrit tout à fait dans le Défi 2 : une énergie propre, sure et efficace, Axe 1 : recherche exploratoire et concepts en rupture et repose sur : i) la construction d’une nouvelle expérience dédiée, dont les dimensions et la conception seront adaptées à la mise en place d’une instrumentation à haute résolution spatiale et temporelle; ii) la détection expérimentale des structures dissipatives en les suivant dans l’espace des échelles pour obtenir leur dynamique et leurs propriétés statistiques ; iii) l’exploration de leur universalité, en variant les paramètres de contrôle de l’expérience (nombre de Reynolds) ainsi que les conditions de forçage. En cas de succès, le projet EXPLOIT pourrait conduire à une avancée dans la compréhension de l’origine de la trainée et donner de nouvelles idées pour sa minimisation, contribuant ainsi à une réduction de la facture énergétique et donc de la pollution atmosphérique.