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Instabilités, Ondes et Turbulence

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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.

Membres permanents :

P. Carles, P.-P. Cortet, A. Davaille, G. Gauthier, F. Giorgiutti, P. Gondret, J.-P. Hulin, J. Martin, F. Moisy, L. Pauchard, M. Rabaud, N. Rakotomalala, N. Ribe, D. Salin, L. Talon

Membres non-permanents :

M. Brunet (Thèse), S. Perrard (PostDoc)

Membres précédents :

S. Atis (Thèse, 2013), F. Boulogne (Thèse, 2013), A. Campagne (Thèse, 2015), B. Gallet (PostDoc, 2013), E. Herbert (PostDoc, 2013), M. Leang (Thèse, 2018), T. Lemee (Thèse, 2013), N. Machicoane (PostDoc, 2016), A. Paquier (Thèse, 2016), C. Ruyer-Quil (MCF UPMC, 2013), A. Sibrant (PostDoc, 2017)


La naissance des vagues

S. Perrard, A. Paquier, F. Moisy, M. Rabaud

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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A. Paquier, F. Moisy, M. Rabaud Phys. Rev. Fluid 1, 234501 (2016).

Sillage d'ondes d'inertie dans un fluide en rotation

N. Machicoane, F. Moisy, P.-P. Cortet

Collaboration : B. Voisin (LEGI, Grenoble).

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-Proudman, 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 décrivant ce sillage dans l'approximation d'un corps élancé.

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N. Machicoane, V. Labarre, B. Voisin, F. Moisy, P.-P. Cortet, Phys. Rev. Fluids 3, 034801 (2018).

Turbulence en rotation

A. Campagne, N. Machicoane, P.-P. Cortet, F. Moisy

Collaboration : B. Gallet (CEA Saclay).

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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A. Campagne, N. Machicoane, B. Gallet, P.-P. Cortet, F. Moisy, J. Fluid Mech 794, R5 (2016).

N. Machicoane, F. Moisy, P.-P. Cortet, Phys. Rev. Fluid 1, 073701 (2016).

Enroulement d'une corde liquide

N. Ribe
Collaborations: P.T. Brun, B. Audoly, T.S. Eaves and J.R. Lister

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".

(Photo H. Hosseini)

N. Ribe, J. Fluid Mech. 812, R2 (2017).

Ecoulement de rotation dans un verre de vin

F. Moisy, J. Bouvard

Collaboration: W. Herreman (LIMSI, Universite Paris-Sud)

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 ainsi qu'un mouvement de recirculation vertical qui amène le vin vers la surface, le mettant ainsi en contact avec l’air. Ces recirculations sont également mises à profit dans les mélangeurs industriels ou dans les bioréacteurs pour la culture de cellules. Nous étudions ici les mécanismes physiques à l'origine de ces écoulements de recirculation.

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J. Bouvard, W. Herreman, F. Moisy, Phys. Rev. Fluids 2, 084801 (2017)

Le rideau de Torricelli : Morphologie des jets laminaires sous gravité

M. Rabaud, N. Ribe

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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Crise de portance

M. Rabaud

Collaboration: P. Bot, G. Thomas, A. Lombardi, C. Lebret (Naval Academy Research Institute, IRENAV Brest)

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.

Bot P., Rabaud M., Thomas G., Lombardi A. and and Lebret C., Phys. Rev. Lett 117, 234501 (2016) [PDF]

Sillage de Kelvin ou cône de Mach?

M. Rabaud, F. Moisy

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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F. Moisy, M. Rabaud Phys. Rev. E 89, 063004 (2014).

Mélange de fluides miscibles induit par gravité

J. Znaien, F. Moisy, J.-P. Hulin
Collaborations : Y. Tanino, E.J. Hinch (DAMTP-Cambridge)

Un fluide lourd placé au-dessus d'un fluide léger est en position instable : il va naturellement s'écouler sous l'effet de la gravité, provoquant un mélange des deux fluides. Que se passe-t-il si l'on réalise cette expérience classique dans un tube incliné ? Les effets antagonistes de ségrégation par gravité et de mélange par déstabilisation inertielle conduisent à une grande variété de régimes d'écoulements, que nous cherchons à élucider au moyen de mesures couplées de velocimétrie et de concentration locale.

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Y. Tanino, F. Moisy, J.-P. Hulin, J. Turbulence 16 (5), 484-502 (2015).