Commentaires sur certains résultats expérimentaux de mélanges en flux turbulents

Comments on Some Basic Experimental Results on Mixing in Turbulent Flows

ECL

Résumé

Le but de cet article est de discuter quelques expériences de base concernant le mélange dans les écoulements turbulents qui sont susceptibles de fournir des éléments de compréhension concernant les principaux mécanismes gouvernant les processus de mélange turbulent. La littérature ne fournit en fait qu'un petit nombre de telles situations physiques fondamentales, en partant des plus simples qui concernent le mélange dans des situations statistiquement homogènes et isotropes, pour aller vers des situations complexes comme les couches de mélange qui, au contraire, sont inhomogènes et anisotropes. Ces résultats expérimentaux permettent de dresser un certain nombre de conclusions concernant des mécanismes moyens clés, comme le transfert des grandes vers les petites échelles du champ de concentration, et sur quelques lois d'échelles que l'on peut déduire de leur compréhension. Néanmoins, le problème de la topologie des plus fines échelles du champ de concentration reste ouvert, et particulièrement dans les liquides où le nombre de Schmidt est élevé et, en conséquence, où ces échelles sont d'autant plus faibles. Seuls quelques travaux récents utilisant les techniques d'analyse d'images donnent des réponses à cette question importante pour la modélisation du processus de diffusion moléculaire. Les différents résultats des théories de la turbulence nécessaires à la discussion sont rappelés sans démonstration mais en insistant sur le sens physique des relations qui les traduisent.

Abstract

The aim of this paper is to discuss some basic experiments on mixing by turbulent flows, which give a clear understanding of the main mechanisms entering into the mixing process. A very small number of such fundamental physical situations may be found in the literature, from the simplest one concerning mixing in homogeneous turbulence up to more complex situations such as those encountered in mixing layers, which are strongly inhomogeneous. These experimental results enable some definite conclusions to be drawn about basic average mechanisms such as the transfer from large to small scales of the concentration field, and about some scaling laws derived from the understanding of these mechanisms. Nevertheless, the delicate problem of the topology of the finest scales of the concentration field remains open particularly for liquids where the Schmidt number is high, and, consequently these scales are very small. Only very recent experimental work, using image analysis, gives some answers to this question, which is essential for the modeling of molecular diffusion processes. The different theoretical results from turbulence theory needed for the discussion will be reviewed in this article, without any straightforward developments, but with their physical meaning.