[The notion of averaging in turbulence. Some considerations from a historical perspective]
The historical evolution of the averaging concept in turbulence is presented according to a two-fold analysis, taking into consideration the physical meaning and the mathematical formulation. After having placed in their historical context some symptomatic characteristics of turbulent flows, the question of their interpretation as a turbulence syndrome, leading to a unitary identification of the phenomenon, is discussed. We then deal with the emergence of the notion of mean as a tool of physical understanding of such a unitary approach, and its relation with the progression of the “experimental” evidence. We conclude by relating this notion to the theoretical aspects of a determinism on average of the turbulent regime, its finality and some attempts to develop a probabilistic theory of turbulence.
On retrace l'évolution historique du concept de moyenne en turbulence selon une double dimension d'analyse, prenant en considération sa signification physique et sa formulation mathématique. Après avoir replacé dans leur contexte d'époque quelques caractéristiques symptomatiques des écoulements turbulents, la question de leur interprétation au sens d'un syndrome de turbulence, conduisant à une identification unitaire du phénomène, est discutée. On s'intéresse alors à l'émergence de la notion de moyenne, comme outil de compréhension physique d'une telle approche unitaire, et de sa relation avec la progression des connaissances « expérimentales ». On termine en mettant en relation cette notion avec les aspects théoriques touchant au sens du déterminisme en moyenne du régime turbulent, de sa finalité et des tentatives d'élaboration d'une théorie probabiliste de la turbulence.
Accepted:
Published online:
Keywords: Aerodynamics, Agitation, Average, Determinism, History of sciences, Hydrodynamics, Fluid mechanics, Mean value, Probability, Randomness, Statistic, Turbulence
Patrick Chassaing 1
@article{CRMECA_2019__347_3_228_0, author = {Patrick Chassaing}, title = {La notion de moyenne en turbulence. {Quelques} r\'eflexions selon une perspective historique}, journal = {Comptes Rendus. M\'ecanique}, pages = {228--258}, publisher = {Elsevier}, volume = {347}, number = {3}, year = {2019}, doi = {10.1016/j.crme.2018.12.002}, language = {fr}, }
Patrick Chassaing. La notion de moyenne en turbulence. Quelques réflexions selon une perspective historique. Comptes Rendus. Mécanique, Volume 347 (2019) no. 3, pp. 228-258. doi : 10.1016/j.crme.2018.12.002. https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/mecanique/articles/10.1016/j.crme.2018.12.002/
[1] La nature de la physique, Éditions du Seuil, 1980
[2] La turbulence, Presses universitaires de Grenoble, 1994
[3] De la causalité à la finalité. À propos de la turbulence, Maloine, S.A., 1988
[4] L. da Vinci, Codex Leicester (ex. Hammer).
[5] Scritti letterari di Leonardo da Vinci – Parte 1, Sampson Low, Marston, Searle & Rivington, London, 1883
[6] Sur l'hydrodynamique des cours d'eau, C. r. hebd. séances Acad. sci., Volume 74 (1872), pp. 570-577 (649–657, 693–701, 770–774)
[7] An experimental investigation of the circumstances which determine whether the motion of water shall be direct or sinuous, and of the law of resistance in parallel channels, Philos. Trans. R. Soc. Lond., Volume 174 (1883), pp. 935-982
[8] Note sur la mesure des vitesses à l'aide du tube jaugeur, Ann. Ponts Chaussées, Volume xiv, 6ème sér (1887) no. 46, pp. 195-229
[9] On the Theory of Lubrication and its Application to Mr. Beauchamp Tower's Experiments, including an Experimental Determination of the Viscosity of Olive Oil, Philos. Trans. R. Soc., Volume 177 (1886), pp. 157-234
[10] On the dynamical theory of incompressible viscous fluids and the determination of the criterion, Philos. Trans. R. Soc. Lond. A, Volume 186 (1895), pp. 123-164
[11] The internal work of wind, Smithson. Contrib. Knowl., Volume 884 (1893), pp. 1-23
[12] The Measurement of Fluctuations of Air Speed by the Hot-Wire Anemometer, 1929 (Tech. report, NACA – Report No. 320)
[13] Principes d'hydraulique et de pyrodynamique, vérifiés par un grand nombre d'expériences faites par ordre du gouvernement - tome deuxième, Firmin Didot, Paris, 1816
[14] Expériences et théories sur le tube de Pitot et le moulinet de Woltmann, Ann. Mines, Volume xiii (1898) no. 9, pp. 331-385
[15] Über die Entstehung turbulenter Flüssigkeitsbewegungen and über den Einfluss dieser Bewegungen bei der Strömung durch Röhren, Abhan. Theoret. Phys., Volume 1 (1907), pp. 58-60 (Version révisée de l'article “Over den weerstand dien een vloeistofstroom in eene cilindrische buis ondervindt”, Amsterdam, Zittingsverslag Akad. v. Wet. 6, 1897, p. 28)
[16] Über den Einflufs der Temperatur auf die Bewegung des Wassers in Röhren, Abhand. König. Akad. Wiss. Berlin Math. Kl. (1854), pp. 17-98
[17] Investigation of Flow in an Axially Symmetrical Heated Jet of Air, 1943 (Tech. report, NACA Wartime Report ACR No. 3L23)
[18] Characteristics of Turbulence in a Boundary Layer with Zero Pressure Gradient, 1954 (Technical Note 3178, NACA Rep. no. 1247, July 1954)
[19] The Free-Stream Boundaries of Turbulent Flows, 1954 (Tech. report, NACA-TN-3133)
[20] The nature of turbulent motion at large wave-numbers, Proc. R. Soc. Lond. Ser. A, Volume 199 (1949) no. 1057, pp. 238-255
[21] Experiments on internal intermittency and fine-structure distribution functions in fully turbulent fluid, J. Fluid Mech., Volume 50 (1971) no. 2, pp. 285-319
[22] The structure of turbulent boundary layers, J. Fluid Mech., Volume 30 (1967) no. 4, pp. 741-773
[23] The bursting' phenomenon in a turbulent boundary layer, J. Fluid Mech., Volume 48 (1971) no. 2, pp. 339-352
[24] Léonard de Vinci – vol. ii Lœuvre graphique, Taschen, 1980
[25] Formation des centres de giration à l'arrière d'un obstacle en mouvement, C. r. hebd. séances Acad. sci., Volume 147 (1908), pp. 839-842
[26] Sur l'application de la loi de similitude aux périodes de formation des tourbillons alternés de Bénard–Kármán, C. r. hebd. séances Acad. sci., Volume 185 (1927), pp. 1556-1559
[27] Experiments on the flow past a circular cylinder at very high Reynolds number, J. Fluid Mech., Volume 10 (1961) no. 3, pp. 345-356
[28] G. Brown, A. Roshko, The effect of density differences on the turbulent mixing layer, Turbulent Shear Flows – AGARD-CP-93 (Londres), 13–15 septembre 1971, Londres, pp. 23–1, 23–12.
[29] An examination of turbulent flow with an ultramicroscope, Proc. R. Soc. Lond. Ser. A, Volume 135 (1932) no. 828, pp. 656-677
[30] On coherent structure in wall turbulence, J. Fluid Mech., Volume 728 (2013), pp. 196-238
[31] Some Current Problems in Turbulent Shear Flows, Naval Hydrodynamics, 1957 (Tech. Report Naval Hydrodynamics Pub. 515)
[32] Dye displacement technique for velocity distribution measurements, Ind. Eng. Chem., Volume 47 (1955) no. 1, pp. 29-33
[33] On transition from laminar to turbulent flow, J. Appl. Phys., Volume 28 (1957) no. 4, pp. 388-394
[34] Mechanism of turbulence, Proceedings of the Second Midwestern Conference on Fluid Mechanics, Ohio State University, 1952, pp. 1-18
[35] On the Structure of Wall-Bounded Turbulent Flows, 1983 (Tech. report, NASA Technical Memorandum 84313)
[36] The structure of the vorticity field in turbulent channel flow. Part 2. Study of ensemble-averaged fields, J. Fluid Mech., Volume 162 (1986), pp. 339-363
[37] Investigation of the Turbulence Producing Structures in the Boundary Layer, 1991 (Tech. report, AFOSR 87-0304E)
[38] Coherent motions in the outer region of turbulent boundary layers, Phys. Fluids, Volume 20 (1977) no. 10, p. S124-S132
[39] Hydrodynamica – de viribus et motibus fluidorum commentarii, 1738 (Opus Academicum)
[40] Recherches expérimentales sur le principe de la communication latérale du mouvement dans les fluides appliqué à l'explication de différens phénomènes hydrauliques, J. Phys. Chim. Hist. Nat. & Arts, Volume 2 (1794), pp. 362-393
[41] Introduction à la mécanique industrielle, physique ou expérimentale, Éditeur Rue de l'Esplanade, Metz – M, 1841
[42] Mémoire sur l'influence des frottements dans les mouvements réguliers de fluides, J. Math. Pures Appl., Volume III (1868) no. 2, pp. 377-424
[43] Flow in pipes and between parallel planes, Proc. R. Soc. Lond. Ser. A, Volume 159 (1937) no. 899, pp. 496-506
[44] A Voyage Through Turbulence (P.A. Davidson; Y. Kaneda; K. Moffatt; K.R. Sreenivasan, eds.), Cambridge University Press, 2011
[45] Wheather Prediction by Numerical Process, Cambridge University Press, 1922
[46] The application of the similarity theory of turbulence to atmospheric diffusion, Q. J. R. Meteorol. Soc., Volume 76 (1950), pp. 133-146
[47] Mechanism of the production of small eddies from large ones, Proc. R. Soc. Lond. Ser. A, Volume 158 (1937) no. 895, pp. 499-521
[48] Statistical theory of turbulence – i, Proc. R. Soc. Lond. Ser. A, Volume 151 (1935) no. 873, pp. 421-444
[49] Structure locale de la turbulence dans un fluide incompressible visqueux aux très grands nombres de Reynolds, C. R. Acad. Sci. URSS, Volume 30 (1941) no. 4, pp. 299-303
[50] Selected Works of A.N. Kolmogorov – Volume II Probability Theory and Mathematical Statistics, Spinger Science+Buiseness Media, B.V., 1992
[51] Principes d'hydraulique et de pyrodynamique, vérifiés par un grand nombre d'expériences faites par ordre du gouvernement – tome premier, Firmin Didot, Paris, 1816
[52] The supply of energy from and to atmospheric eddies, Proc. R. Soc. Lond. Ser. A, Volume 97 (1920) no. 686, pp. 354-373
[53] Some measurements of atmospheric turbulence, Philos. Trans. R. Soc. Lond. A, Volume 221 (1921), pp. 1-28
[54] Atmospheric diffusion shown on a distance-neighbour graph, Proc. R. Soc. Lond. Ser. A, Volume 110 (1926) no. 756, pp. 709-737
[55] A. Favre (Ed.), Mécanique de la turbulence, Colloques Internationaux du CNRS, Éditions du Centre national de la recherche scientifique, Marseille, 20 août – 2 septembre 1961.
[56] Turbulence the Legacy of a.n. Kolmogorov, Cambridge University Press, 1995
[57] A century of turbulence, Flow Turbul. Combust., Volume 66 (2001), pp. 241-286
[58] Progress in the statistical theory of turbulence, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, Volume 34 (1948) no. 11, pp. 530-539
[59] Essai sur la théorie des eaux courantes, Mém. Acad. Sci. Inst. Fr., Volume 23 (1877) no. 1, pp. 1-680 (Mémoires présentés par divers savants à)
[60] Équations statistiques des gaz turbulents : masse, quantité de mouvement, C. r. hebd. séances Acad. sci., Volume 246 (1958), pp. 2576-2579
[61] Hydrodynamics, Cambridge University Press, 1916
[62] Differentialgleichungen für die turbulente Bewegung einer kompressibelen Flüssigkeit, Proceedings International Congress Delft, 1925, pp. 395-405
[63] Problèmes mathématiques de la théorie de la turbulence homogène, Varenna, Italie (C. Ferrari, ed.), Centro Internazionale Matematico Estivo (C.I.M.E.) (1957), pp. 1-104
[64] On the application of statistical mechanics to the theory of turbulent fluid motion i, Mededeeling No. 12 – KNAW Proceedings, Volume 32 (1929) no. 4, pp. 414-425
[65] On the application of statistical mechanics to the theory of turbulent fluid motion ii, Mededeeling No. 12 – KNAW Proceedings, Volume 32 (1929) no. 5, pp. 643-657
[66] On the application of statistical mechanics to the theory of turbulent fluid motion iii, Mededeeling No. 12 – KNAW Proceedings, Volume 32 (1929) no. 6, pp. 818-833
[67] On the application of statistical mechanics to the theory of turbulent fluid motion iv, Mededeeling No. 26 – KNAW Proceedings, Volume 36 (1933) no. 3, pp. 276-284
[68] On the application of statistical mechanics to the theory of turbulent fluid motion v, Mededeeling No. 26 – KNAW Proceedings, Volume 36 (1933) no. 4, pp. 390-399
[69] On the application of statistical mechanics to the theory of turbulent fluid motion vi, Mededeeling No. 26 – KNAW Proceedings, Volume 36 (1933) no. 5, pp. 487-496
[70] On the application of statistical mechanics to the theory of turbulent fluid motion vii, Mededeeling No. 26 – KNAW Proceedings, Volume 36 (1933) no. 6, pp. 620-628
[71] Statistical theory of turbulence – ii, Proc. R. Soc. Lond. Ser. A, Volume 151 (1935) no. 873, pp. 444-454
[72] Statistical theory of turbulence – iii. Distribution of dissipation of energy in a pipe over its cross-section, Proc. R. Soc. Lond. Ser. A, Volume 151 (1935) no. 873, pp. 455-464
[73] Statistical theory of turbulence – iv. Diffusion in a turbulent air stream, Proc. R. Soc. Lond. Ser. A, Volume 151 (1935) no. 873, pp. 465-478
[74] Diffusion by continuous movements, Proc. Lond. Math. Soc., Volume 2 (1921), pp. 196-211
[75] The fundamentals of the statistical theory of turbulence, J. Aeronaut. Sci., Volume 4 (1937) no. 4, pp. 131-138
[76] Sur la similitude statistique dans les mouvements turbulents des fluides, C. r. hebd. séances Acad. sci., Volume 198 (1934), pp. 1571-1573
[77] La mécanique de l'atmosphère et des grands milieux fluides fondée sur les concepts d'échelle et de probabilité, Thalès, Volume 2 (1935), pp. 53-81
[78] La mécanique des fluides turbulents avec dedebant et wehrlé à l'office national météorologique (1934–1939), Meteorol., Volume 8 (1995) no. numéro spécial, pp. 156-166
[79] La mécanique des fluides turbulents fondée sur des concepts statistiques, Thalès, Volume 4 (1938), pp. 151-167
[80] Joseph Kampé de Fériet et la mécanique des fluides en France durant l'entre-deux-guerres, C. R. Mecanique, Volume 345 (2017), pp. 556-569
[81] Averaging processes and Reynolds equations in atmospheric turbulence, J. Meteorol., Volume 8 (1951), pp. 358-361
[82] L'état actuel du problème de la turbulence, Sci. Aérienne, Volume 3 (1934), pp. 9-34
[83] L'état actuel du problème de la turbulence (suite), Sci. Aérienne, Volume 4 (1935), pp. 12-52
[84] Les fonctions aléatoires stationnaires et la théorie statistique de la turbulence homogène, Ann. Soc. Sci. Brux., Volume 59 (1939), p. 145
[85] Sur le spectre de la turbulence homogène, C. r. hebd. séances Acad. sci., Volume 208 (1939), pp. 722-725
[86] Introduction to the statistical theory of turbulence – i, J. Soc. Ind. Appl. Math., Volume 2 (1954) no. 1, pp. 1-9
[87] Introduction to the statistical theory of turbulence – ii, J. Soc. Ind. Appl. Math., Volume 2 (1954) no. 3, pp. 143-174
[88] Introduction to the statistical theory of turbulence - iii, J. Soc. Ind. Appl. Math., Volume 2 (1954) no. 4, pp. 244-271
[89] Introduction to the statistical theory of turbulence – iv, J. Soc. Ind. Appl. Math., Volume 3 (1955) no. 2, pp. 90-117
[90] Fonctions aléatoires et théorie statistique de la turbulence, Théorie des fonctions aléatoires, Masson & C, 1953, pp. 569-623
[91] La notion de moyenne dans la théorie de la turbulence, Milan J. Math., Volume 27 (1957) no. 1, pp. 167-207
[92] P. Chassaing, Turbulence en mécanique ees fluides - Analyse du phénomène en vue de sa modélisation à l'usage de l'ingénieur, Éditions Cépadués (collection Polytech), 2000.
[93] Applications de la mécanique aléatoire à l'hydrodynamique et à la mécanique quantique, Publications scientifiques et techniques du Ministère de l'air, 1949 (rapport technique no 227)
[94] Stationary functions and their applications to the theory of turbulence I. Stationary functions, J. Math. Anal. Appl., Volume 47 (1973) no. 2, pp. 354-399
[95] Stationary functions and their applications to the theory of turbulence II. Turbulent solutions of the Navier–Stokes equations, J. Math. Anal. Appl., Volume 47 (1974) no. 3, pp. 458-503
[96] Principes d'une théorie non probabiliste de la turbulence, Mécanique de la turbulence (Marseille), Colloques internationaux du CNRS, vol. 108, 1962, pp. 459-465
[97] Suites uniformément denses, moyennes trigonométriques, fonctions pseudo-aléatoires, Bull. Soc. Math. Fr., Volume 87 (1959), pp. 1-64
[98] The fully developed turbulent wake of a circular cylinder, Aust. J. Sci. Res., Ser. A, Volume 2 (1949) no. 4, pp. 451-468
[99] The mechanics of an organized wave in turbulent shear flow, J. Fluid Mech., Volume 41 (1970) no. 2, pp. 241-258
[100] Turbulence et déterminisme (M. Lesieur, ed.), PUG, 1998
[101] Extraits des grands philosophes, Ch. Delagrave, Paris, 1877
[102] Introduction à l'étude de la médecine expérimentale, J.B. Baillière et fils, Paris, 1865
[103] Essais de théodicée sur la bonté de dieu, la liberté de l'homme et l'origine du mal – tome premier, chez François Changuion, A Amsterdam, 1734
[104] Hydrodynamics, C.J. Clay and Sons, Cambridge University Press, 1895
[105] Biographie chalonnaise, T. Martin Châlons-sur-Marne, 1870
[106] Toward a turbulent constitutive relation, J. Fluid Mech., Volume 41 (1970) no. 2, pp. 413-434
[107] Équations statistiques des gaz turbulents : énergie totale, énergie interne, C. r. hebd. séances Acad. sci., Volume 246 (1958), pp. 2723-2725
[108] Équations statistiques des gaz turbulents : énergie cinétique, énergie cinétique du mouvement microscopique, énergie cinétique de la turbulence, C. r. hebd. séances Acad. sci., Volume 246 (1958), pp. 2839-2842
[109] Équations statistiques des gaz turbulents : enthalpies, entropie, températures, C. r. hebd. séances Acad. sci., Volume 246 (1958), pp. 3216-3219
[110] The turbulence modelling of variable density flows – a mixed-weighted decomposition, Turbulent Shear Flows 3, Selected papers from the Third International Symposium on Turbulent Shear Flows, 1981, September 9–11, The University of California, Davis, CA, États-Unis, 1982, pp. 291-308
[111] Une alternative à la formulation des équations du mouvement turbulent d'un fluide à masse volumique variable, J. Méc. Théor. Appl., Volume 4 (1985) no. 3, pp. 375-389
[112] On the statistical theory of isotropic turbulence, Philos. Trans. R. Soc. Lond., Ser. A, Volume 164 (1938) no. 917, pp. 192-215
[113] On an extension of Reynolds' method of finding apparent stress and the nature of turbulence, Chin. J. Phys., Volume 4 (1940), pp. 1-33
[114] On the theory of homogeneous isotropic turbulence, Dokl. Akad. Nauk SSSR, Volume 32 (1941) no. 9, pp. 611-614
[115] Statistical Fluid Mechanics: Mechanics of Turbulence, vol. 2, The MIT Press, 1975 (English edition updated, augmented and revised)
[116] 50 years of turbulence research in China, Annu. Rev. Fluid Mech., Volume 27 (1995), pp. 1-16
[117] A consequence of the zero-fourth-cumulant approximation in the decay of isotropic turbulence, J. Fluid Mech., Volume 16 (1963) no. 1, pp. 33-40
[118] Application of Millionschikov's hypothesis to the problem of isotropic turbulence degeneration, Izv. Akad. Nauk SSSR, Meh. Židk. Gaza, Volume 4 (1969) no. 5, pp. 171-175
[119] An overview of Millionschikov's quasi-normality hypothesis applied to turbulence, Int. J. Appl. Mech. Eng., Volume 19 (2014) no. 1, pp. 123-132
[120] On velocity correlations and the solution of the equations of turbulent fluctuation, Q. Appl. Math., Volume III (1945) no. 1, pp. 38-54
[121] The Closure Problem of Turbulence Theory, New York University, 1961 (Tech. report, Research Report No. HSN-3)
[122] Simulation of the Kolmogorov inertial subrange using an improved subgrid model, Phys. Fluids A, Volume 3 (1991) no. 1, pp. 188-200
[123] Statistical hydromechanics and functional calculus, Indiana Univ. Math. J., Volume 1 (1952) no. 1, pp. 87-123
[124] The Mathematical Theory of Turbulence, Springer-Verlag, 1988
Cited by Sources:
Comments - Policy