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Thèse Année : 2010

Experimental studies of linear and non-linear structure generation (solibores, solitons) in stratified media

Étude expérimentale de la génération de structures linéaires et non-linéaires (solibores, solitons) en milieu stratifié

Résumé

The ocean and the atmosphere are stratied environments where internal gravity waves exist. These waves can travel along great distances, carrying energy away from their sources. They play an important part in the global energy budget of geophysical ows. Our experimental approach ideally models oceanic topographies and background stratication in order to understand the fundamental processes involving internal waves. Signal processing of experimental data such as complex demodulation has also been developed. Dierent types of internal waves have been generated, thanks to the characterization and control of a new wave maker. By combining results of an experimental and numerical study with analytical predictions, we can produce any spatial structure (localized beams, vertically standing modes existing over the full depth, plane waves). The question of internal plane waves re ecting on slopes has been tackled to verify the absence of back-re ected waves near critical re ection, revealing at the same time that this classic problem remains an open issue. We have also investigated the scattering of a vertical mode by a topography of large extent, where linear and non-linear mechanisms must be taken into account. Sub-critical slopes are responsible for the conversion of the incident mode into smaller spatial structures, whereas the height of the topography in uences strongly the amplitude of the transmitted modes and the intensity of non-linear processes generating harmonic waves and a mean current. We have realized the rst experimental evidence of local generation of nonlinear wave trains (solitons) by intense localized internal wave beams impinging on a pycnocline. This phenomenon depends on the stratication considered, dening the pycnocline strength. Finally, the coupled dynamics of a boat dragged at constant force with the surrounding stratied uid have been studied. The dead water regime is dened by a unique dimensionless number, the Froude number associated to the fastest wave propagating in the stratication considered. We present an extension of the classic two-layer case to any type of stratication composed of an homogeneous layer at the surface.
L'océan et l'atmosphère sont des milieux stratifiés, supports d'ondes internes de gravité. Ces ondes peuvent se propager sur de très grandes distances, transportant de l'énergie loin de leurs sources et jouant ainsi un rôle clé dans le bilan énergétique global des écoulements géophysiques. Notre approche expérimentale modélise de façon idéalisée les topographies océaniques et la stratification du milieu afin de comprendre les mécanismes fondamentaux mis en jeu en présence d'ondes internes. Cette démarche a été couplée au développement de techniques d'analyse des données telles que la démodulation complexe. Différents types d'ondes internes ont été utilisées. Pour cela, un point clé a été la caractérisation et le contrôle d'une nouvelle source d'ondes. Notre étude combinant expériences, simulations numériques et prédictions analytiques permet la génération contrôlée de structures spatiales variées (faisceaux localisés, modes verticaux occupant toute la hauteur du uide, ondes planes). L'étude du problème classique de la réflexion d'une onde plane sur un plan incliné a permis de vérifier l'absence d'onde retour pour des pentes proches de la criticalité, tout en mettant en évidence que ce cas d'école est encore un sujet ouvert. Nous avons également étudié la conversion d'un mode vertical modélisant la marée interne lors de l'interaction avec une topographie de grande échelle. Cette conversion est régie par des mécanismes linéaires et non-linéaires. La présence de pentes sous-critiques inuence la conversion du mode incident en de plus petites échelles spatiales, tandis que la hauteur de la topographie joue un rôle notable dans l'amplitude des modes transmis ainsi que l'intensité de processus non-linéaires générant des ondes harmoniques et un courant moyen. Nous avons réalisé la première mise en évidence expérimentale de la génération locale de trains d'ondes non-linéaires (solitons) lors de la réflexion d'un faisceau d'ondes internes intense et localisé au niveau d'une pycnocline. Ce phénomène dépend de la stratification considérée, qui caractérise la nature de la pycnocline. Enfin, une étude de la dynamique couplée entre un bateau évoluant à force constante et le fluide stratifié environnant a été menée. Le régime particulier des dépend d'un unique nombre sans dimension, le nombre de Froude associé à l'onde la plus rapide de la stratification sur laquelle le bateau évolue. Nous avons généralisé le cas classique à deux couches à tout type de stratification constituée d'une couche homogène en surface.
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Dates et versions

tel-00542727 , version 1 (03-12-2010)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00542727 , version 1

Citer

Matthieu Mercier. Étude expérimentale de la génération de structures linéaires et non-linéaires (solibores, solitons) en milieu stratifié. Physique [physics]. Ecole normale supérieure de lyon - ENS LYON, 2010. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00542727⟩
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