Laboratoire Matière et Systèmes Complexes

Thèse de Timothée Jamin effectuée sous la direction de Eric Falcon et Michael Berhanu.

Soutenance le vendredi 22 janvier 2016 à 14 h.

Lieu : bâtiment Condorcet, Salle 454A (4ème étage). La soutenance sera suivie d’un pot dans l’espace convivialité du 6ème étage.

Interactions entre ondes de surface et écoulements hydrodynamiques

Résumé :

Les ondes à la surface d’un liquide sont généralement le résultat d’un échange continu entre l’énergie cinétique du liquide et son énergie potentielle, liée aux forces de gravité et de tension de surface. L’énergie cinétique du liquide est alors mise en jeu à la fois dans les ondes de surface et dans les écoulements hydrodynamiques qui peuvent prendre place sous la surface libre, ce qui peut mener à des interactions intéressantes entre ondes et écoulements. Nous étudions ici ces interactions à travers trois expériences couvrant différents types d’écoulements et de déformations de la surface libre.

Dans une première expérience, nous étudions les ondes à la surface d’un liquide engendrées par la déformation d’un fond mobile, en lien avec le cas géophysique des tsunamis. Par la mesure simultanée des déformations de la surface libre et du champ de vitesse sous la surface par PIV (vélocimétrie par images de particules, voir figure (a)), nous étudions l’influence des caractéristiques spatiales et temporelles de la déformation du fond sur les mouvements induits dans le fluide et à la surface libre. Nous mettons notamment en évidence différents régimes dépendant du rapport entre la durée typique du mouvement du fond et la période de l’onde engendrée. Si la déformation du fond n’est pas très rapide, la forme de la vague engendrée dépend notablement de la dynamique du fond, habituellement négligée dans les simulations de tsunamis.

Nous nous sommes intéressés, dans une deuxième expérience, aux ondes stationnaires à la périphérie d’une goutte de liquide sensible au champ magnétique (ferrofluide). Lorsque celle-ci est soumise à une vibration verticale, elle présente des lobes oscillants à sa périphérie (voir figure (b)). Nous montrons que les fréquences de résonance de ces ondes stationnaires sont ajustables par un champ magnétique extérieur. Par un modèle capable de prédire l’évolution de ces fréquences propres avec le champ, nous démontrons que le champ magnétique permet de contrôler la tension de surface effective de la goutte.

Enfin, la troisième expérience met en jeu diverses échelles spatiales et temporelles en sondant les interactions entre une surface libre et une turbulence hydrodynamique, générée par des jets sous la surface. Nous étudions par des mesures PIV comment la turbulence hydrodynamique est modifiée par la présence d’une surface libre. Inversement, nous analysons les déformations de la surface libre induites par la turbulence par des mesures de la surface pleinement résolues en temps et en espace. Nous mettons en évidence la présence d’ondes de surface, mais dominées par les empreintes de l’écoulement turbulent sous la surface. Enfin, nous observons comment les caractéristiques spatiales et temporelles d’ondes générées à la surface du liquide sont affectées par la présence de turbulence hydrodynamique sous la surface.