Non-linear interaction of internal gravity waves and mixing in stratified fluids
Interactions non-linéaires d’ondes internes de gravité et mélange en milieu stratifié
Abstract
To be able to explain the oceanic mixing, the understanding of phenomena at small scales is crucial, and especially the energy transfers to those scales. Internal waves are studied in this context: by breaking, destabilizing and generating subharmonic triadic resonant instability (TRI), they contribute to this transfer. Our experimental study is focusing on wave propagation during long times. Previous experiments conducted under these conditions within the team had led, after several hours, to a profile showing clear mixing layers. The physical explanation given until then, purely turbulent, was incorrect. Our experimental setup actually places us in a singular situation where the stratification is modified jointly by wave propagation and by double diffusion: mixing layers can thus be present and the fluid behaves like a waveguide. In addition, stratification strongly modified by the waves has a feedback effect on their propagation: the daughter waves resulting from the TRI gradually disappear from the fluid, which limits the transfer to the smallest scales and therefore the mixing. Two internal waves can also interact with each other to generate, this time, a super-harmonic wave whose structure is determined by the structure of the waves that gave birth to it. Our work led to the first experimental demonstration of the generation of such a super-harmonic wave. The results are in excellent agreement with the theory developed by Thorpe (1966). In particular, the super-harmonic wave has the predicted pattern, is observed over a finite range of frequency around the resonant value and the spatial growth rates are very close to those expected theoretically
Pour pouvoir expliquer le mélange océanique, il est essentiel de comprendre les phénomènes aux petites échelles et en particulier les transferts d’énergie vers celles-ci. Les ondes internes sont étudiées dans ce contexte : en déferlant, en se déstabilisant et en générant des sous-harmoniques par instabilité résonante triadique (TRI), elles contribuent à ce transfert. Nous avons porté notre étude expérimentale sur la propagation d’ondes sur des temps de forçage longs. Les précédentes expériences réalisées dans ces conditions au sein de l’équipe présentaient, après plusieurs heures, un profil avec de nettes couches de mélange. L’explication physique proposée jusqu’alors, purement turbulente, était incorrecte. Notre dispositif expérimental nous place en réalité dans une situation singulière où la stratification est modifiée conjointement par propagation d’ondes et par double-diffusion : des couches de mélange peuvent ainsi se former et le fluide se comporte alors comme un guide d’ondes. De plus, la stratification fortement modifiée par les ondes a un effet en retour sur leur propagation : les ondes filles issues de la TRI disparaissent petit à petit du fluide, ce qui limite le transfert aux plus petites échelles et donc le mélange. Deux ondes internes peuvent également interagir entre elles pour générer, cette fois, une onde super-harmonique dont la structure est conditionnée par la structure des ondes qui lui ont donné naissance. Nos travaux ont abouti à la première mise en évidence expérimentale de la génération d’une telle onde super-harmonique. Les résultats sont en excellent accord avec la théorie développée par Thorpe (1966). En particulier, l’onde super-harmonique a la forme prédite, naît dans un intervalle mince autour de la résonance et les taux de croissance spatiaux sont très proches de ceux attendus
Origin | Version validated by the jury (STAR) |
---|
Loading...