Spatiotemporal measurement of the boundary dissipation rate in flowsusing Diffusing-Wave Spectroscopy
Mesure spatio-temporelle du taux de dissipation à l'interface des écoulements par diffusion multiple de la lumière
Résumé
In this thesis, we present a new experimental technique for the spatiotemporal measurement of the dissipation rate at a flow interface (wall, free surface, etc.). This technique, known as Diffusing-Wave Spectroscopy (DWS), relies on the diffusion approximation to describe multiple light scattering in the fluid, and consists in analyzing temporal fluctuations in the scattered intensity. The main advantage of this technique is that it is sensitive only to the norm of the strain rate tensor, i.e. to velocity gradients, and not to the velocity field itself. Moreover, it can probe these spatial differences in velocity over a distance equal to the transport mean free path, which is typically of the order of a few tens of microns. Initially developed in the late 1980s for the study of colloidal suspensions, it was subsequently used, on only two occasions, to obtain the mean (or local) boundary dissipation rate in steady flows. Here, we demonstrate the possibility of a spatially and temporally resolved measurement using a high-speed camera, allowing for the study of unsteady and turbulent flows. To this end, we discuss both the choice of boundary conditions for the diffusion equation to ensure correct interpretation of the data, and the weighting of the dissipation rate if it is inhomogeneous. The case of an unsteady dissipation rate is also described, demonstrating the possibility of a time-resolved measurement if the characteristic time of the fluctuations is longer than the convergence time of the autocorrelation functions. These considerations are validated experimentally on a Taylor-Couette flow: in the Couette flow (homogeneous stationary dissipation), the Taylor vortex flow (inhomogeneous stationary dissipation) and finally the wavy vortex flow (inhomogeneous unsteady dissipation). In addition, we suggest the joint use of spatially resolved reflectance measurement to monitor the transport mean free path in real time. This allows us to present preliminary measurements in a very high Reynolds number flow (around 10^5), illustrating the potential of DWS for measuring the mean value and spatiotemporal fluctuations of the boundary dissipation rate in turbulent flows.
Dans cette thèse, nous présentons une nouvelle technique expérimentale permettant la mesure spatio-temporelle 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), 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. Cette technique a pour principal intérêt de n'être sensible qu'à la norme du tenseur des taux de déformation, autrement dit aux gradients de vitesse, et pas au champ de vitesse en lui-même. De plus, elle permet de sonder ces différences spatiales de vitesse sur une distance égale au libre parcours moyen de transport, qui est typiquement de l'ordre de quelques dizaines de microns. Initialement développée à la fin des années 1980 pour l'étude des suspensions colloïdales, elle fut ensuite utilisée, à deux reprises seulement, pour obtenir le taux de dissipation moyen (ou local) à l'interface dans des écoulements stationnaires. Nous démontrons ici la possibilité d'une mesure résolue à la fois spatialement et temporellement, grâce à l'utilisation d'une caméra haute vitesse, permettant ainsi l'étude d'écoulements instationnaires et turbulents. Pour cela, nous discutons du choix des conditions aux limites de l'équation de diffusion pour une bonne interprétation des données, et de la pondération du taux de dissipation s'il est inhomogène. Le cas d'un taux de dissipation instationnaire est également décrit, démontrant la possibilité d'une mesure résolue temporellement si le temps caractéristique des fluctuations est plus long que le temps de convergence des fonctions d'autocorrélation. Ces considérations sont validées expérimentalement sur l'écoulement de Taylor-Couette : dans le régime de Couette (dissipation homogène stationnaire), des rouleaux de Taylor (dissipation inhomogène stationnaire) et enfin des rouleaux oscillants (dissipation inhomogène instationnaire). Par ailleurs, nous suggérons l'utilisation conjointe d'une mesure de réflectance spatialement résolue pour contrôler en temps réel le libre parcours moyen de transport. Ceci nous permet in fine de présenter de premières mesures dans un écoulement à très haut Reynolds (10^5 environ), qui viennent illustrer le potentiel de la DWS pour la mesure de la valeur moyenne et des fluctuations spatio-temporelles du taux de dissipation à l'interface des écoulements turbulents.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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