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Gyroflow
Une plateforme tournante pour la simulation d'écoulements géophysiques


English version

Membres : M. Brunet, F. Moisy, P.-P. Cortet

Anciens membres : A. Campagne, J. Boisson, B. Gallet, C. Lamriben, N. Machicoane, M. Rabaud

Collaborations présentes ou passées : T. Dauxois (ENS Lyon), B. Gallet (CEA Saclay), L.R.M. Maas (Univ. Utrecht), B. Voisin (LEGI), D. Cébron (ISTerre), P. Billant et J.-M. Chomaz (LadHyX)



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, elle 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 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 appelée onde d’inertie.

Dans le cas d'un écoulement turbulent, l’effet de la force de Coriolis est complexe : la turbulence devient anisotrope avec une forte tendance à la bidmensionnalisation, c'est-à-dire à l'invariance selon l'axe de la rotation. 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. Aux grandes échelles, les interactions non-linéaires entre ondes d'inertie peuvent dans certains régimes être le moteur de la turbulence en rotation et construire un régime de « turbulence d'ondes ».


Expériences de turbulence en rotation

La plateforme Gyroflow est un outil permettant d'étudier expérimentalement les processus fondamentaux issus de l'interaction entre une rotation globale et la dynamique des fluides, dont en premier lieu ceux au sein de la turbulence en rotation comme dans les deux expériences illustrées ci-dessous :

  • une expérience de turbulence en déclin, dans laquelle la turbulence est initialisée par la translation rapide d'une grille dans le fluide,
  • une expérience de turbulence forcée, dans laquelle des générateurs de dipoles de tourbillons viennent injecter continuement de l'énergie dans l'écoulement.

  • Expérience de turbulence de grille montée sur la plateforme Gyroflow (octobre 2009).



    Expérience de turbulence forcée par des générateurs de dipôles tourbillonnaires (février 2013).



    Remerciements

    Les activités sur la plateforme tournante Gyroflow sont actuellement soutenues par l'Agence Nationale de la Recherche dans le cadre du projet DisET (2018-2022) porté par le laboratoire FAST (Projet ANR-17-CE30-0003).


    Ces activités reçoivent le soutien de l'équipe technique du FAST composée de J. Amarni, A. Aubertin, L. Auffray, C. Borget et R. Pidoux.


    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


    Publications

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

    • Wake of inertial waves of a horizontal cylinder in horizontal translation
      N. Machicoane, V. Labarre, B. Voisin, F. Moisy, P.-P. Cortet, Phys. Rev. Fluids 3 034801(2018)
      [Abstract | PDF]
    • Two-dimensionalization of the flow driven by a slowly rotating impeller in a rapidly rotating fluid
      N. Machicoane, F. Moisy, 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, 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, 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, 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, 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, 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, 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]