Gyroflow
Une plateforme tournante pour la simulation d'écoulements géophysiques

Membres actuels : A. Campagne, N. Machicoane, P.-P. Cortet, B. Gallet, F. Moisy

Membres précédents : J. Boisson, C. Lamriben, M. Rabaud

Collaborations : L.R.M. Maas (NIOZ, Univ. Utrecht), B. Voisin (LEGI, Grenoble), D. Cébron (ETH Zurich), P. Billant et J.-M. Chomaz (LadHyX), T. Dauxois et G. Bordes (ENS Lyon).

Qu’est-ce que la plateforme Gyroflow ?

Gyroflow est une plateforme tournante dédiée à l'étude en laboratoire d'écoulements d'intérêts géophysiques.

D'un diamètre de 2 m, cette plateforme est capable d’embarquer jusqu’à 1 tonne (expérience et matériel de mesure), à une vitesse de rotation de 30 tours/minute.

Cette plateforme est installée au laboratoire FAST (Fluides, Automatique et Systèmes Thermiques), à Orsay, et a été co-financée par le RTRA "Triangle de la Physique" et l'Agence Nationale de la Recherche. Elle est opérationnelle depuis septembre 2009.

La plateforme Gyroflow. Les mesures de vélocimétrie par images de particules sont réalisées à l'aide de la caméra (à droite, en bleu), et du laser (à gauche, en noir).

Qu’est-ce qu’un écoulement géophysique ?

Les écoulements géophysiques sont des écoulements turbulents dont la dynamique est dominée par les effets de la rotation (force de Coriolis) et de la stratification (en température ou en salinité).

Ces écoulements ont pour point commun leur nature quasi-bidimensionnelle, ainsi que la présence de structures tourbillonaires cohérentes très intenses. Les grandes circulations océaniques ou atmosphériques sont les illustrations les plus remarquables des propriétés des écoulements géophysiques.

On trouve également des écoulements géophysiques dans les planètes gazeuses – la célèbre tâche rouge de Jupiter –, dans les étoiles, ou encore dans le noyau liquide des planètes comme la Terre...

Deux exemples d'écoulements géophysiques : deux cyclones au sud de l'Islande, et la tache rouge de Jupiter, photographiée par Voyager 1 (source: NASA).

Quelle est l’influence de la force de Coriolis sur un écoulement ?

La force de Coriolis défléchit les trajectoires des particules fluides, à la manière d’un champ magnétique sur une particule chargée. Mais dans un fluide, essentiellement incompressible, la trajectoire circulaire résultant de cette déflection donne lieu à une onde propagative anisotrope : c’est une onde d’inertie.

Dans la limite d’une vitesse de rotation très importante, cette onde d’inertie se réduit à une colonne de fluide parallèle à l’axe de rotation (colonne de Taylor-Proudman), dans laquelle le mouvement est purement bi-dimensionnel.

Dans le cas d'un écoulement turbulent, l’effet de la force de Coriolis est plus subtil : les grandes échelles peuvent être affectées par la rotation, tandis que les petites échelles ne le sont pas, du fait de leur dynamique rapide comparée à la vitesse de rotation. Ainsi, les grandes échelles constituent un système d’ondes d’inertie en interaction, conduisant à une bi-dimensionalisation partielle de la turbulence.

Expériences de turbulence en rotation

Un des phénomènes étudiés sur la plateforme Gyroflow est l'influence de la force de Coriolis sur des écoulements turbulents. Pour cela, deux configurations expérimentales sont étudiées :

Les objectifs de ces expériences sont les suivants :

• Caractériser les flux d'énergie anisotropes vers une turbulence 2D. Nous avons notamment pu réaliser la première mise en évidence expérimentale de tels flux d'énergie au moyen de mesures par vélocimétrie par images de particules (Lamriben et al., Phys. Rev. Lett. 2011).
• Comprendre la dynamique de la brisure de symétrie, induite par la force de Coriolis, entre cyclones (tournant dans le même sens que le système) et anticyclones.

Remerciements

Le projet Gyroflow a reçu les soutiens financiers du RTRA "Triangle de la Physique" (projets 2008-080T et 2011-037T), ansi que de l'Agence Nationale de la Recherche (projets 06-BLAN-0363-01 "HiSpeedPIV" et 2011-BS04-006-01 "ONLITUR").

Contribuent également à ce projet les organismes de tutelle du laboratoire FAST (Université Paris-Sud, Université Pierre et Marie Curie, CNRS), ainsi que le laboratoire SPHYNX du CEA / SPEC.

Les expériences de turbulence forcée ont été réalisées en collaboration avec P. Augier, P. Billant, J.-M. Chomaz et A. Garcia (Laboratoire LadHyX, Ecole Polytechnique).

Enfin, le soutien du personnel technique du FAST est remercié - A. Aubertin, L. Auffray, C. Borget, G.-J. Michon et R. Pidoux -, ainsi que P. Jenffer pour l'aide à la conception. La plateforme a été concue et réalisée par le bureau d'étude GP-Concept.

Articles de vulgarisation

• Un pendule de Foucault version liquide, CNRS Le journal, 268 (septembre-octobre 2012).
• A liquid Foucault pendulum, CNRS international magazine, 27 (octobre 2012).
• Un pendule de Foucault fluide
  J. Boisson, D. Cébron, F. Moisy, P.-P. Cortet, Reflets de la Physique 31 22-23 (2012).
  [Abstract | PDF]
• Et pourtant elle tourne...
  F. Moisy, C. Lamriben, P.-P. Cortet, M. Rabaud, Plein Sud Spécial Recherche 2010-2011, 28-37 (2011). [PDF]

Pour en savoir plus

• Un pendule de Foucault fluide
• Ondes et modes d'inertie dans un fluide en rotation
• Ancienne "petite" plateforme tournante du FAST (2003-2008)
• Expériences de turbulence sur la plateforme Coriolis (2006)
• Poster de présentation de la plateforme Gyroflow (2009)

Publications

Les articles ci-dessous sont basés sur des données obtenues sur la plateforme Gyroflow.

• Two-dimensionalization of the flow driven by a slowly rotating impeller in a rapidly rotating fluid
  N. Machicoane, F. Moisy and P.-P. Cortet, Phys. Rev. Fluids 1, 073701 (2016)
  [Abstract | PDF]
• Turbulent drag in a rotating frame
  A. Campagne, N. Machicoane, B. Gallet, P.-P. Cortet and F. Moisy, J. Fluid Mech. 794, R5 (2016)
  [Abstract | PDF]
• Influence of the multipole order of the source on the decay of an inertial wave beam in a rotating fluid
  N. Machicoane, P.-P. Cortet, B. Voisin, and F. Moisy, Phys. Fluids 27, 066602 (2015)
  [Abstract | PDF]
• Disentangling inertial waves from eddy turbulence in a forced rotating turbulence experiment
  A. Campagne, B. Gallet, F. Moisy and P.-P. Cortet, Phys. Rev. E 91, 043016 (2015)
[Abstract | PDF]
• Structure and dynamics of rotating turbulence: a review of recent experimental and numerical results
  F.S. Godeferd and F. Moisy, Applied Mechanics Reviews 67, 030802 (2015)
  [Abstract | PDF]
• Scale-dependent cyclone-anticyclone asymmetry in a forced rotating turbulence experiment
  B. Gallet, A. Campagne, P.-P. Cortet and F. Moisy, Phys. Fluids 26 035108 (2014).
  [Abstract | PDF]
• Direct and inverse energy cascades in a forced rotating turbulence experiment
  A. Campagne, B. Gallet, F. Moisy and P.-P. Cortet, Phys. Fluids 26, 125112 (2014)
  [Abstract | PDF]
• Inertial waves and modes excited by the libration of a rotating cube
  J. Boisson, C. Lamriben, L.R.M. Maas, P.-P. Cortet, F. Moisy, Phys. Fluids 24, 076602 (2012).
  [Abstract | PDF | movies]
• Earth rotation prevents exact solid body rotation of fluids in the laboratory
  J. Boisson, D. Cébron, F. Moisy, P.-P. Cortet, EPL 98, 59002 (2012).
  [Abstract | PDF]
• Experimental evidence of a triadic resonance of plane inertial waves in a rotating fluid
  G. Bordes, F. Moisy, T. Dauxois, P.-P. Cortet, Phys. Fluids 24, 014105 (2012).
  [Abstract | PDF]
• Direct measurements of anisotropic energy transfers in a rotating turbulence experiment
  C. Lamriben, P.-P. Cortet, F. Moisy, Phys. Rev. Lett. 107, 024503 (2011).
  [Abstract | PDF]
• Excitation of inertial modes in a closed grid turbulence experiment under rotation
  C. Lamriben, P.-P. Cortet, F. Moisy, L. Maas, Phys. Fluids 23, 015102 (2011).
  [Abstract | PDF]
• Viscous spreading of an inertial wave beam in a rotating fluid
  P.-P. Cortet, C. Lamriben, F. Moisy, Phys. Fluids 22, 086603 (2010).
  [Abstract | PDF]