Attracteurs d'ondes internes: génération et instabilité

Dans le cas d'un domaine confiné, les réflexions successives des faisceaux d'ondes internes sur les limites rigides peuvent converger vers une trajectoire fermée : un attracteur d'ondes internes. Les trajectoires pour un domaine de forme arbitraire ne sont en général pas fermées et l'énergie injectée dans le domaine est répartie uniformément. Au contraire, quand un attracteur est présent, l'énergie est concentrée essentiellement sur les quelques faisceaux associés au cycle limite où on peut s'attendre au développement d'instabilités non-linéaires

Energy cascade in internal wave attractors

One of the pivotal questions in the dynamics of the oceans is related to the cascade of mechanical energy in the abyss and its contribution to mixing. Here, we propose internal wave attractors in the large amplitude regime as a unique self-consistent experimental and numerical setup that models a cascade of triadic interactions transferring energy from large-scale monochro-matic input to multi-scale internal wave motion. We also provide signatures of a discrete wave turbulence framework for internal waves. Finally, we show how beyond this regime, we have a clear transition to a regime of small-scale high-vorticity events which induce mixing. Introduction

Liquid inertia versus bubble cloud buoyancy in circular plunging jet experiments

When a liquid jet plunges into a pool, it can generate a bubble-laden jet flow underneath the surface. This common and simple phenomenon is investigated experimentally for circular jets to illustrate and quantify the role played by the net gas/liquid void fraction on the maximum bubble penetration depth. It is first shown that an increase in either the impact diameter or the jet fall height to diameter ratio at constant impact momentum leads to a reduction in the bubble cloud size. By systematically measuring the local void fraction using optical probes in the biphasic jet, it is then demonstrated that this effect is a direct consequence of the increase in the air content within the cloud. A simple momentum balance model, including only inertia and the buoyancy force, is shown to predict the bubble cloud depth without any fitting parameters. Finally, a Froude number based on the bubble terminal velocity, the cloud depth, and also the net void fraction is introduced to propose a simple criterion for the threshold between the inertia-dominated and buoyancy-dominated regimes.Comment: As of 16th of November 2023, it is accepted for publication in JF

Finite-size effects in parametric subharmonic instability

The parametric subharmonic instability in stratified fluids depends on the frequency and the amplitude of the primary plane wave. In this paper, we present experimental and numerical results emphasizing that the finite width of the beam also plays an important role on this triadic instability. A new theoretical approach based on a simple energy balance is developed and compared to numerical and experimental results. Because of the finite width of the primary wave beam, the secondary pair of waves can leave the interaction zone which affects the transfer of energy. Experimental and numerical results are in good agreement with the prediction of this theory, which brings new insights on energy transfers in the ocean where internal waves with finite-width beams are dominant

Dynamique et stabilité de fronts : phénomènes agéostrophiques

This thesis has to be seen within the general study of atmospheric and oceanic fronts and the origin of gravity waves in the atmosphere. In this context we focus on a front in a rotating two-layer miscible fluid under vertical shear. Both experimental and numerical study highlights ageostrophic phenomena going beyond the usual geostrophic equilibrated configuration of a baroclinic front. First, the classification of different instability regimes of a front in an annular configuration as a fonction of Rossby number and Burger number reveals an ageostrophic instability coupling equilibrated and divergent motions due to a resonance between a Rossby wave and a Kelvin wave. This Rossby-Kelvin instability is confirmed numerically by the structure of the perturbation velocity fields in each layer. Second, small-scale structures have also been observed experimentally. Caracteristics of the interface in function of Richardson number and density and velocity interface thicknesses suggests the presence of the Hölmböe shear instability. A direct numerical simulation with an axisymmetric configuration and with a Schmidt number 700 confirms this conjecture. Other smalle-scale perturbations compatible with inertia-gravity waves have been observed numerically superimposed on an unstable Rossby-Kelvin front and the wave generation mechanism is discussed. In addition, a numerical study of a stable front highlighted the presenec of internal Ekman layers with an additional interfacial structure in the case of high Schmidt number and small Rossby number. For fronts in in/outcropping, front dynamics is modified by interaction with Ekman boundary layer at the location of the intersection zero-thickness singular point. It depends on both vertical circulation and mixing on the nose of the front and the various possible instabilities associated to horizontal or vertical wave resonances.Cette thèse s'inscrit dans un contexte d'étude de la dynamique des fronts atmosphériques et océaniques et de l'origine des ondes de gravité dans l'atmosphère. Pour cela on s'intéresse à un front composé de deux couches de fluides miscibles en milieu tournant et soumis à un cisaillement vertical. Un travail à la fois expérimental et numérique met en évidence des phénomènes agéostrophiques qui vont au-delà de la configuration équilibrée usuelle d'un front barocline. D'abord, l'étude des différents régimes instables d'un front en configuration annulaire en terme de nombre de Rossby et de Burger révèle une instabilité agéostrophique couplant des mouvements équilibrés et divergents grâce à la résonance entre une onde de Rossby et une onde de Kelvin. Cette instabilité Rossby-Kelvin a été confirmée numériquement grâce aux structures des perturbations en champs de vitesse dans chaque couche. Ensuite, des structures de petite échelle présentes sur le front ont aussi été observées expérimentalement. Les caractéristiques de l'interface en terme de nombre de Richardson et épaisseurs de l'interface en vitesse et en densité suggère une instabilité de cisaillement de Hölmböe. Une simulation directe numérique axisymmétrique avec un nombre de Schmidt valant 700 confirme cette conjecture. Des ondes inertie-gravité supplémentaires sont observées numériquement sur un mode instable Rossby-Kelvin et le mécanisme de génération de ces ondes est discuté. Enfin l'étude numérique d'un front stable a mis en évidence la présence de couches d'Ekman internes avec une structure additionnelle pour des valeurs élevées de nombre de Schmidt et un faible nombre de Rossby. Dans le cas de front en in/outcropping, la dynamique est modifiée par l'interaction du front avec les couches d'Ekman au niveau du point singulier d'épaisseur nulle. Elle dépend à la fois de la circulation verticale et du mélange sur le nez du front et des nombreuses instabilités possibles associées à des résonances d'ondes horizontalement et verticalement

Dynamique et stabilité de fronts (phénomènes agéostrophiques)

Cette thèse s'inscrit dans un contexte d'étude de la dynamique des fronts atmosphériques et océaniques et de l'origine des ondes de gravité dans l'atmosphère. Pour cela on s'intéresse à un front composé de deux couches de fluides miscibles en milieu tournant et soumis à un cisaillement vertical. Un travail à la fois expérimental et numérique met en évidence des phénomènes agéostrophiques qui vont au-delà de la configuration équilibrée usuelle d'un front barocline. D'abord, l'étude des différents régimes instables d'un front en configuration annulaire en terme de nombre de Rossby et de Burger révèle une instabilité agéostrophique couplant des mouvements équilibrés et divergents grâce à la résonance entre une onde de Rossby et une onde de Kelvin. Cette instabilité Rossby-Kelvin a été confirmée numériquement grâce aux structures des perturbations en champs de vitesse dans chaque couche. Ensuite, des structures de petite échelle présentes sur le front ont aussi été observées expérimentalement. Les caractéristiques de l'interface en terme de nombre de Richardson et épaisseurs de l'interface en vitesse et en densité suggère une instabilité de cisaillement de Hölmböe. Une simulation directe numérique axisymmétrique avec un nombre de Schmidt valant 700 confirme cette conjecture. Des ondes inertie-gravité supplémentaires sont observées numériquement sur un mode instable Rossby-Kelvin et le mécanisme de génération de ces ondes est discuté. Enfin l'étude numérique d'un front stable a mis en évidence la présence de couches d'Ekman internes avec une structure additionnelle pour des valeurs élevées de nombre de Schmidt et un faible nombre de Rossby. Dans le cas de front en in/outcropping, la dynamique est modifiée par l'interaction du front avec les couches d'Ekman au niveau du point singulier d'épaisseur nulle. Elle dépend à la fois de la circulation verticale et du mélange sur le nez du front et des nombreuses instabilités possibles associées à des résonances d'ondes horizontalement et verticalement.This thesis has to be seen within the general study of atmospheric and oceanic fronts and the origin of gravity waves in the atmosphere. In this context we focus on a front in a rotating two-layer miscible fluid under vertical shear. Both experimental and numerical study highlights ageostrophic phenomena going beyond the usual geostrophic equilibrated configuration of a baroclinic front. First, the classification of different instability regimes of a front in an annular configuration as a fonction of Rossby number and Burger number reveals an ageostrophic instability coupling equilibrated and divergent motions due to a resonance between a Rossby wave and a Kelvin wave. This Rossby-Kelvin instability is confirmed numerically by the structure of the perturbation velocity fields in each layer. Second, small-scale structures have also been observed experimentally. Caracteristics of the interface in function of Richardson number and density and velocity interface thicknesses suggests the presence of the Hölmböe shear instability. A direct numerical simulation with an axisymmetric configuration and with a Schmidt number 700 confirms this conjecture. Other smalle-scale perturbations compatible with inertia-gravity waves have been observed numerically superimposed on an unstable Rossby-Kelvin front and the wave generation mechanism is discussed. In addition, a numerical study of a stable front highlighted the presenec of internal Ekman layers with an additional interfacial structure in the case of high Schmidt number and small Rossby number. For fronts in in/outcropping, front dynamics is modified by interaction with Ekman boundary layer at the location of the intersection zero-thickness singular point. It depends on both vertical circulation and mixing on the nose of the front and the various possible instabilities associated to horizontal or vertical wave resonances.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Frontal instabilities and waves in a differentially rotating fluid

International audienceWe present an experimental investigation of the stability of a baroclinic front in a rotating two-layer salt-stratified fluid. A front is generated by the spin-up of a differentially rotating lid at the fluid surface. In the parameter space set by rotational Froude number, F, dissipation number, d (i.e. the ratio between disk rotation time and Ekman spin-down time) and flow Rossby number, a new instability is observed that occurs for Burger numbers larger than the critical Burger number for baroclinic instability. This instability has a much smaller wavelength than the baroclinic instability, and saturates at a relatively small amplitude. The experimental results for the instability regime and the phase speed show overall a reasonable agreement with the numerical results of Gula, Zeitlin & Plougonven (J. Fluid Mech., vol. 638, 2009, pp. 27-47), suggesting that this instability is the Rossby-Kelvin instability that is due to the resonance between Rossby and Kelvin waves. Comparison with the results of Williams, Haines & Read (J. Fluid Mech., vol. 528, 2005, pp. 1-22) and Hart (Geophys. Fluid Dyn., vol. 3, 1972, pp. 181-209) for immiscible fluid layers in a small experimental configuration shows continuity in stability regimes in (F, d) space, but the baroclinic instability occurs at a higher Burger number than predicted according to linear theory. Small-scale perturbations are observed in almost all regimes, either locally or globally. Their non-zero phase speed with respect to the mean flow, cusped-shaped appearance in the density field and the high values of the Richardson number for the observed wavelengths suggest that these perturbations are in many cases due to Hölmböe instability. © 2011 Cambridge University Press