Instabilités, Ondes et Turbulence
Les écoulements naturels et industriels, en géophysique, en aéronautique ou en génie des procédés, sont complexes, instationnaires, parfois multiphasiques, et le plus souvent turbulents. Comprendre et modéliser ces écoulements constituent un véritable défi, aux enjeux à la fois fondamentaux et pratiques.
À l'échelle de la planète, les écoulements atmosphériques et océaniques sont soumis à des effets de stratification et de rotation d'ensemble. Ces effets conduisent notamment à l'existence d'ondes internes, ainsi qu'à l'émergence de tourbillons ou de jets cohérents pouvant influencer profondément les propriétés de mélange (chaleur, polluants...)
À échelle plus petite, les écoulements avec interfaces (soit entre deux liquides, soit entre un liquide et un gaz) constituent un autre exemple de tels écoulements complexes. La formation de la houle en mer illustre bien l'étendue des questions ouvertes, qu'il s'agisse de l'origine des premières rides sous l'effet du vent, de leur amplification, ou encore des mécanisme de saturation et de dissipation par déferlement. D'autres exemples sont l'instabilité d'enroulement des "cordes liquides" qui tombent sur une surface, ou encore la morphologie surprenante des "membranes liquides" qui se forment à l'embouchure d'un tuyau horizontal.
Dans cet axe de recherche, nous développons des expériences modèles, visant à reproduire ces écoulements complexes depuis les premiers stades d'instabilités jusqu'aux situations pleinement turbulentes, dans des configurations simples et contrôlées.
La naissance des vagues
Comment naissent les vagues sous l'action du vent ? Cette question apparemment
simple a suscité de nombreux travaux, tant théoriques que numériques ou expérimentaux.
Nous abordons cette question avec une expérience nouvelle permettant de détecter les
toutes premières déformations à la surface d'un fluide visqueux avec une précision
de quelques microns.
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Etrange rotation dans un verre de bière
Pour aérer un vin avant de le déguster, on imprime au verre un mouvement de translation circulaire. En plus de créer une onde de surface se propageant circulairement, il est bien connu que ce mouvement engendre une rotation du fluide, dans la même direction que la vitesse de phase de l'onde. Si l'on réalise maintenant cette expérience simple avec un verre de bière ou une tasse de café expresso, surprise : sous certaines conditions (amplitude d'oscillation suffisamment faible et couche de mousse fine et uniforme), la couche de mousse à la surface se met à tourner en sens inverse du liquide !
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Sillage de Kelvin ou cône de Mach?
Le sillage derrière un canard ou un bateau fait toujours 39 degrés,
quelque soit sa vitesse : c'est un résultat classique dû à Lord Kelvin.
Mais ce résultat est-il toujours bien vérifié ? Une analyse détaillée d'images
de sillages de bateau à partir de Google Earth revèle plutôt une loi
analogue à celle du cône de Mach pour un avion supersonique. Pourquoi ?
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Crise de portance
Le phénomène de "crise de trainée" est un grand classique de tous les cours de mécanique des fluides puisque qu’il remonte aux études de Gustave Eiffel (1912). Lors de cette « crise » la force qui s’oppose au déplacement d’un objet dans un fluide devient, de façon surprenante, une fonction décroissante de la vitesse. Nous avons montré que, simultanément à cette crise de trainée et pour des obstacles qui ne sont pas symétriques haut/bas, il existe une "crise de portance", avec une très forte augmentation, voire même un changement de signe de la force de portance.
Le rideau de Torricelli : Morphologie des jets laminaires sous gravité
Bien que la forme d'un jet qui jaillit horizontalement d'un orifice
ait été etudiée par Toricelli (1643), ce problème classique de la mécanique
des fluides peut encore nous surprendre. Lorsqu'un jet laminaire jaillit de l'embouchure d'un tuyau, il se divise en deux jets, l'un primaire et l'autre secondaire,
reliés par un mince rideau vertical de fluide.
Nous étudions ce comportement inattendu en utilisant des expériences de
laboratoire couplées à des simulations numériques.
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Sillage d'ondes d'inertie dans un fluide en rotation
Une propriété remarquable des écoulements en rotation rapide est leur tendance à la bi-dimensionalisation :
un objet se déplaçant très lentement entraîne avec lui une colonne de fluide, dite colonne de Taylor,
alignée avec l'axe de rotation. Mais lorsque la vitesse de déplacement n'est plus très lente, l'objet peut émettre
un sillage d'ondes internes d'inertie, à la manière d'un bateau émettant un sillage d'ondes de surface. Nous avons effectué
des mesures de ce sillage sur la plateforme tournante Gyroflow, et obtenu un excellent accord avec une théorie le
décrivant dans l'approximation d'un corps élancé.
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Enroulement d'une corde liquide
Si vous mangez de temps en temps une tartine au miel pour le petit déjeuner, vous avez tout ce qu'il vous faut pour faire une jolie expérience en mécanique des fluides. Plongez une petite cuillère dans le pot de miel, et tenez-la ensuite en position verticale une dizaine de cm au-dessus de la tartine. Le filet de miel tombant crée une structure qui ressemble à un tire-bouchon qui tourne rapidement - c'est le phénomène appelé "enroulement d'une corde liquide".
Turbulence en rotation
Avec les effets de la stratification des fluides, la structuration bidimensionelle d'un écoulement turbulent soumis à la force de Coriolis
est l'une des clefs pour la compréhension des écoulements géophysiques (atmosphère, océan, étoiles).
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.
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