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.
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.
L'empreinte du vent sur l'eau et la naissance des vagues
Dès qu'une brise légère souffle à la surface de l'eau, bien avant le seuil de formation des premières rides capillaires, on constate que la surface n'est pas parfaitement lisse comme un miroir. Il apparait des déformations de très faible amplitude (de l'ordre de quelques microns), nommées wrinkles. Nous avons montré que ces wrinkles sont l'empreinte des fluctuations de pression voyageant dans la couche limite turbulente générée par le vent, qui viennent strier la surface de petits sillages instationnaires. Nous étudions ces wrinkles grace à des expériences en soufflerie basées sur une méthode optique très sensible (Synthetic Schlieren) et à des simulations numériques.
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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 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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Faire des plis en soufflant sur un liquide
Lorsque le vent souffle à la surface d'un liquide, il est bien connu qu'il se forme, au-delà d'une vitesse seuil, des ondes propagatives. Mais qu'advient-il lorsque le fluide est très visqueux (100 à 1000 fois plus visqueux que l'eau), au point que ces ondes propagatives deviennent amorties de manière critique ? On constate expérimentalement que les ondes se déstabilisent violemment sous forme de "plis liquides" très localisés, à la manière d'un tissu formant des plis devant un fer à repasser. Une fois formés, ces plis liquides avancent à grande vitesse, poussés par le vent. Ils peuvent alors interagir entre eux, montrant des phénomènes de coalescence ou d'écrantage.
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".
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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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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Attracteurs d'ondes d'inertie dans un fluide en rotation
Les fluides soumis à une rotation d'ensemble sont le support d'une classe d'ondes spécifiques, appelées ondes
d'inertie, que l'on retrouve dans les écoulements géophysiques et astrophysiques. En conséquence des lois anormales de réflexion
de ces ondes, qui conservent leur inclinaison constante par rapport à l'horizontale, ces systèmes peuvent faire émerger
dans des domaines fermés des modes singuliers, appelés attracteurs d'ondes, concentrant l'énergie sur un cycle limite.
Nous présentons une étude expérimentale du régime non-linéaire d'un attracteur d'ondes d'inertie
révélant l'émergence d'une instabilité par résonance triadique aux caractéristiques singulières.
Nous montrons que les lois d'échelles suivies par la longueur d'ondes et l'amplitude de l'attracteur
sont quantitativement décrites en introduisant une viscosité turbulente dans le modèle de l'attracteur linéaire.
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