Ecole Doctorale

SCIENCES POUR L'INGENIEUR : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique

Spécialité

« Sciences pour l'ingénieur » : spécialité « Mécanique et Physique des Fluides »

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

Convection,Milieu stratifié,turbulence,ondes internes de gravité,écoulement grande échelle,

Keywords

Convection,Stratified domain,turbulence,internal gravity waves,large-scale flow,

Titre de thèse

Étude de l'interaction entre écoulements turbulent et stratifié : convection pénétrante, ondes internes de gravité et écoulements grande échelle
On the interaction between turbulent and stratified flows: penetrative convection, internal gravity waves and large-scale flow generation

Date

Tuesday 13 October 2020 à 14:00

Adresse

IRPHE - UMR7342 49, rue Frédéric Joliot-Curie BP146 13384 Marseille Cedex 13 France Salle de séminaire

Jury

Directeur de these M. Michael LE BARS CNRS IRPHE/AMU
Rapporteur Mme Chantal STAQUET Université Grenoble-Alpes
Directeur de these M. Patrice LE GAL CNRS IRPHE/AMU
Rapporteur M. Michel RIEUTORD Université de Toulouse 3
Examinateur M. Stéphane MATHIS CEA
Examinateur M. Antoine VENAILLE CNRS
Examinateur M. Philippe ODIER ENS

Résumé de la thèse

L'étude du couplage entre une couche turbulente et une couche stratifiée a un intérêt particulier pour les écoulements géophysiques et astrophysiques, par exemple pour l'atmosphère, les océans et le cœur de notre planète, mais aussi pour les étoiles. L’interaction entre ces deux couches est trop souvent négligée car les échelles de temps et de longueur qui les caractérisent sont très différentes. Pourtant, les mouvements de la couche convective brassent le fluide au niveau de l’interface, provoquant un mélange continu des espèces en présence. De plus, l’agitation créée par ces mouvements génère des ondes internes de gravité. Ces ondes redistribuent une partie de l’énergie de la couche turbulente dans la couche stratifiée, dans laquelle elles se propagent. En outre, ces ondes peuvent aussi transporter température et espèces chimiques. Elles ont donc une grande influence sur la dynamique globale du système. Il paraît naturel de chercher à approfondir notre compréhension des différents phénomènes régissant l’interaction entre couches stratifiée et turbulente, dans le but d’améliorer les modèles numériques prédisant l’évolution des étoiles ou de notre atmosphère. Au début de cette thèse est présenté un modèle numérique étudiant la génération d’écoulements grande échelle par le forçage d’ondes internes de gravité. Un exemple de ce type d’écoulement est l’oscillation, avec une période de 28 mois, des vents équatoriaux dans la stratosphère terrestre. En nous fondant sur d’anciens modèles étudiant le forçage de ce type d’écoulement par une onde monochromatique, nous complétons ces études passées en prenant en compte diverses fréquences dans notre spectre de forçage. Nous trouvons que dans un domaine fini, un forçage contenant un large spectre de fréquences favorise l’apparition d’oscillations périodiques. Le reste de la thèse présente trois dispositifs expérimentaux étudiant l’interaction entre turbulence et stratification. Dans le premier, la stratification est créée par un gradient de concentration en sel dissous dans l’eau, et la turbulence vient de l’interaction de plusieurs jets d’eau. Le second utilise le fait que la densité maximale de l’eau soit atteinte à 4°C. Grâce à cette propriété, le phénomène de convection pénétrante peut être étudiée dans un système stationnaire. La dernière expérience s’intéresse aussi à la convection pénétrante, mais en utilisant des gaz, afin de travailler à des nombres de Prandtl plus bas, ce qui a un intérêt particulier pour les applications atmosphériques et astrophysiques liées à notre étude.

Thesis resume

Coupled dynamics between turbulent and stratified layers are often encountered in geophysical and astrophysical flows, for example in the Earth’s atmosphere, oceans and core, but also in stars. Due to the large space- and time-scale difference between the phenomenon involved in the two layers, their interaction is sometimes overlooked. Still, the turbulent motions enhance mixing at the interface and generate internal gravity waves which propagate in the stratified layer. Those waves extract energy from the convective layer and distribute this energy along their propagation path. They also carry chemicals and bio-elements. Therefore, the comprehension of the coupled dynamics of a turbulent layer interacting with a stratification one is essential in order to build reliable models predicting the long-time evolution of those flows. Our first study focuses on the large-scale flow generation by internal gravity waves forcing. A striking example of such flow is the oscillation of equatorial winds in the Earth’s stratosphere (Quasi-Biennial Oscillation), with a mean period of 28 months. An analytical model, inspired from previous studies, is derived to explain why the oscillations are almost periodic while the excitation comes from waves with various frequencies and wavenumbers. We find that, in a finite domain, multi-modal forcing favours periodic oscillations. Then, we introduce three different experimental set-ups, focusing on the interaction of a turbulent layer with a stratified one. The internal gravity waves generation is particularly looked at, and we also investigate any large-scale flow emergence. One of these experiments uses salty water to build the stratification and water jets to create the turbulent layer. The two others investigate the dynamics of penetrative convection. The first one uses the non-linear equation of state of water, to allow the study of penetrative convection in a stationary configuration. The second one uses gases as working fluids, in order to lower the Prandtl number, which is interesting for astrophysical and atmospheric applications.