Ondes non-linéaires et turbulence en fluides stratifiés et tournants – ONLITUR

Ce projet vise à étudier expérimentalement plusieurs aspects des ondes non linéaires et de la turbulence en fluides stratifiés ou en rotation. L’objectif principal consiste à développer des expériences simples et bien contrôlées destinées à explorer et caractériser certains des principaux mécanismes physiques mis en jeux dans les écoulements géophysiques impliquant le transport, le mélange et/ou la turbulence dans l’océan. Les configurations idéalisées proposées dans ce projet comprennent l’auto-interaction d’un faisceau d’ondes inertielles ou internes, la génération d’écoulement moyen pouvant en résulter, le mélange induit par le déferlement d’ondes, et enfin la transition à la turbulence d’ondes. Le mélange et le transport de polluants, de composants biochimiques et de chaleur, et leur rôle dans l’équilibre thermique global de l’océan sont parmi les questions clefs concernées par ce projet.

Le projet est mené par deux laboratoires partenaires, Fluides Automatique et Systèmes Thermiques - FAST (Université Paris-Sud, Orsay) et le Laboratoire de Physique de l’Ecole Normale Supérieure de Lyon. Ces deux laboratoires sont reconnus pour leur compétence dans les écoulements de fluides tournants et stratifiés, respectivement, ainsi que dans les méthodes expérimentales de pointes servant à étudier ces écoulements, comme la Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV), La Fluorescence Induite par Laser (LIF) et la méthode de Schlieren Synthétique. Un ensemble d’expériences de laboratoire, fondées sur la plate-forme tournante « Gyroflow » à Orsay et sur le générateur d’ondes innovant dans les cuves stratifiées à Lyon, est proposé dans ce projet pour étudier les phénomènes physiques mis en œuvre dans certains écoulements géophysiques.

Les ondes se propageant dans les fluides tournants ou stratifiés (respectivement ondes inertielles et ondes internes) sont gouvernées par une relation de dispersion anisotrope similaire. Il en résulte qu’elles ont en commun un certain nombre de propriétés, en ce qui concerne leur génération, leur propagation et leur réflexion. Cependant, ces deux systèmes d’ondes montrent certains comportements non linéaires très différents, comme par exemple le transport moyen ou certaines instabilités. Ces points communs et ces différences donnent une perspective originale à l’étude combinée que nous proposons, où la complémentarité de nos compétences respectives formera la base de notre collaboration. En considérant les systèmes tournants et stratifiés séparément et en les comparant, nous pensons pouvoir développer une meilleure compréhension des processus élémentaires mis en jeu dans l’atmosphère et l’océan.

L’approche expérimentale présente plusieurs avantages pour ce projet : (i) les simulations numériques sont très exigeantes, à cause de la grande gamme d’échelles temporelles mises en jeu, entre les ondes rapides et les effets non linéaires lents ; (ii) les avancées récentes en techniques de mesures optiques, comme par exemple en PIV, ont rendu les expériences de laboratoire particulièrement performantes en termes de résolution spatiale et temporelle. Dans le cas des fluides en rotation, un système de PIV stéréoscopique sera développé dans le cadre de ce projet, permettant de sonder les caractéristiques 3D propre à ce système. Dans le cas des fluides stratifiés, les combinaisons PIV/Schlieren et PIV/LIF permettront de mesurer simultanément les champs de vitesse et de densité, dont l’interaction est au cœur de nombreux processus physiques dans les domaines de la géophysique et de l’environnement. La résolution spatiale de nos dispositifs permettra d’avoir accès aux grandeurs turbulentes, comme par exemple les viscosités et diffusivités turbulentes et les spectres spatio-temporels. En s’appuyant sur ces outils, nous pourrons étudier plusieurs aspects de l’interaction entre ondes inertielle/interne et turbulence, un sujet encore largement inexploré à ce jour.