Etude de l'interaction entre le vent et les vagues scélérates

par Julien Touboul

Thèse de doctorat en Systèmes complexes

Sous la direction de Christian Kharif.

Soutenue en 2007

à Aix-Marseille 1 .


  • Résumé

    Le phénomène de vague scélérate, qui constitue un enjeu majeur pour la sécurité maritime, ne peut être corrélé à un phénomène géophysique particulier. En effet, de telles vagues peuvent surgir sur tous les océans du monde, en eaux profonde ou peu profonde, en eaux calmes ou en zone de tempête. Ce travail s’attache à étudier l’influence du vent sur la dynamique de ces vagues. Une approche expérimentale a mis en évidence que des vagues scélérates générées par focalisation d’énergie due à la nature dispersive des vagues, étaient légèrement amplifiées par le vent, et que leur point de formation variait peu, mais surtout que leur durée de vie était significativement augmentée. Une forte asymétrie est effectivement observée entre les phases de focalisation et de défocalisation. Des simulations numériques sont réalisées dans le but d’analyser, de comprendre, et de modéliser ce phénomène. Les expériences effectuées dans la grande soufflerie des échanges air-mer de Luminy sont reproduites dans un canal numérique à partir d’une méthode d’intégrales de frontière. Le mécanisme de Miles, ainsi que le mécanisme d’abri de Jeffreys modifié sont tous les deux considérés pour modéliser l’influence du vent. Le mécanisme d’abri proposé par Jeffreys est modifié par l’introduction d’un seuil de pente pour lequel un décollement de l’écoulement aérien se produit au-dessus des crêtes les plus cambrées. Les vagues scélérates peuvent également être dues à un autre mécanisme physique : l’instabilité modulationnelle des champs de vagues ou instabilité de Benjamin-Feir. Une extension de l’étude à des vagues scélérates obtenues par instabilité modulationnelle est donc développée. Des simulations numériques de ce phénomène à partir d’un modèle pseudo-spectral ont été réalisées. Ces simulations montrent, comme dans le cas de la focalisation dispersive, que le mécanisme d’abri modifié de Jeffreys augmente la durée de vie de ces vagues extrêmes, bien que la physique mise en oeuvre soit différente. Cependant, ces approches reposent toutes sur un couplage vent/vagues linéaire sans rétroaction des vagues sur l’écoulement aérien, ainsi qu’une description potentielle de l’écoulement. Or la présence d’une recirculation (tourbillon aérien) au-dessus des crêtes les plus hautes mise en évidence expérimentalement ne peut être correctement simulé que si la vorticité est prise en compte. Nous introduisons donc une approche numérique permettant la simulation de l’écoulement rotationnel et diphasique de deux fluides visqueux séparés par une interface.

  • Titre traduit

    Study of the interaction between wind and rogue waves


  • Résumé

    The rogue wave phenomenon, which is of majeur interest for marine safety, cannot be correlated toany specific geophysical phenomenon. Such waves can appear on every ocean of the world, in deep or shallow water, and encounter strong winds in tempest zones. This work aims to study the influence of wind on rogue waves. An experimental approach showed that rogue waves generated by means of energy focusing due to the dispersive nature of water waves, were slightly amplified, that there was a drift of the focusing point, and that their life time was significantly increased. A strong asymmetry is indeed observed between the focusing and defocusing stages. Numerical simulations are performed to analyse, understand, and reproduce the phenomenon. Experiments performed in the air-sea interaction facility are reproduced in a numerical wave tank using boundary integrals method. Miles’ mechanism and the modified Jeffreys sheltering mechanism are both considered to model wind action. Jeffreys’ sheltering mechanism is modified by introducing a threshold in local slope above which air flow separation occurs over steep crests. Rogue waves can also be generated using another physical mechanism : modulationnal instability of wave fields, or Benjamin-Feir instability. An extension of the study to rogue waves due to modulationnal instability is developed. Numerical simulations of this phenomenon are performed with a pseudo-spectral method. These simulations show that the modified Jeffreys’ sheltering mechanism is responsible for a significant increase of the lifetime of those extreme waves, such as for rogue waves due to dispersive focusing. However, the underlying physics are different in both cases. However, these approaches are both based on a linear wind wave coupling, neglecting the influence of waves on the air flow, and based on a potential description of the flow. The existence of a recirculation area (air vortex) observed experimentally above the highest crests can only be simulated correctly when vorticity is taken into account. A numerical method to simulate the rotationnal flow of the two phases viscous fluids, separated by an interface, is introduced.

Autre version

Cette thèse a donné lieu à une publication en 2012 par [CCSD] à Villeurbanne

Etude de l'interaction entre le vent et les vagues scélérates

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe sous forme papier

Informations

  • Détails : 1 vol. (xiv-168 p.)
  • Notes : Autorisation de publication délivrée par le jury : publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 165-168. Index

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Université d'Aix-Marseille (Marseille. St Charles). Service commun de la documentation. Bibliothèque universitaire de sciences lettres et sciences humaines.
  • Disponible pour le PEB

Cette version existe également sous forme de microfiche :

  • Bibliothèque : Sorbonne Université. Bibliothèque de Sorbonne Université. Bibliothèque Géosciences et environnement.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 07 AIX1 1039
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.