Titre/Title : Universalité de la transition vers la turbulence dans l’écoulement de Taylor-Couette / A universal transition to turbulence in Taylor-Couette flow
Contact : Nicolas Mordant (équipe EDT)
Résumé/Abstract :
La turbulence est un des phénomènes hors-équilibre le plus couramment rencontré, pourtant la caractérisation de la transition qui donne naissance à la turbulence pour des écoulements simples est restée impossible. Bien que récemment, il a été possible de mesurer des points critiques pour certains de ces écoulements, la nature de cette transition n’a pas été entièrement comprise. A l’aide d’expériences et de simulations numériques, nous montrons que dans le cas de l’écoulement de Couette, la transition vers la turbulence peut-être décrite comme une transition de phase du second ordre appartenant à la classe universelle de la percolation dirigée. En conséquence, les motifs spatiaux-temporels complexes caractéristiques de la transition vers la turbulence dans les écoulements cisaillés sont le résultat d’interactions à courte portée des domaines turbulents et sont caractérisés par des exposants critiques universels. Plus généralement, notre étude démontre que des systèmes complexes loin de l’équilibre comme la turbulence montre des comportements critiques proche de la transition et que la dynamique collective obéit à des règles simples.
Turbulence is one of the most frequently encountered non-equilibrium phenomena in nature, yet characterizing the transition that gives rise to turbulence in basic shear flows has remained an elusive task. Although, in recent studies, critical points marking the onset of sustained turbulence have been determined for several such flows, the physical nature of the transition could not be fully explained. In extensive experimental and computational studies we show for the example of Couette flow that the onset of turbulence is a second-order phase transition and falls into the directed percolation universality class. Consequently, the complex laminar–turbulent patterns distinctive for the onset of turbulence in shear flows result from short-range interactions of turbulent domains and are characterized by universal critical exponents. More generally, our study demonstrates that even high-dimensional systems far from equilibrium such as turbulence exhibit universality at onset and that here the collective dynamics obeys simple rules.