Vélocimétrie acoustique modale dans un sphéroïde gazeux en rotation

par Sylvie Su

Thèse de doctorat en Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement

Sous la direction de Philippe Cardin et de David Cebron.

Le président du jury était Helle Anette Pedersen.

Le jury était composé de Santiago, Andres Triana.

Les rapporteurs étaient Séverine Rosat, Frank Stefani.


  • Résumé

    Les vents zonaux sont une famille d’écoulement jouant un rôle majeur dans la transmission de la chaleur dans les systèmes géophysiques tels que le noyau de la Terre ou l’atmosphère de Jupiter. Cependant ces systèmes présentent des régimes turbulents dominés par la rotation, ce qui rend l’étude des vents zonaux diÿcile. De ce fait les méchanismes de leur formation et de leur dynamique sont encore mal compris. Les études expérimen-tales permettent une approche complémentaire où toutes les tailles de structures peuvent facilement coexister. Pour des raisons pratiques, la plupart des expériences existantes présentent des régimes di˙érents de ceux des systèmes planétaires.Nous présentons une nouvelle expérience de laboratoire appelée ZoRo pour étudier les vents zonaux. L’originalité de ce nouveau montage est qu’il se rapproche autant que possible des conditions présentes dans les systèmes planétaires. Pour ce faire, nous avons choisi de construire un sphéroïde (sphère aplatie) rempli d’air en rotation rapide.Pour mesurer la vitesse des éoulements nous avons développé une nouvelle technique de mesure qui s’appuie sur les modes acoustiques de la cavité fluide. Cette technique est non-intrusive et particulièrement adaptée à la mesure d’écoulement azimuthaux de grande échelle. Nous avons testé cette méthode sur des cas synthétiques puis des écoulements réels mesurés dans ZoRo. Grâce à la résolution d’un problème inverse, il est possible de remonter au champ de vitesse à partir des fréquences des modes acoustiques.Les vents zonaux sont une famille d’écoulement jouant un rôle majeur dans la transmission de la chaleur dans les systèmes géophysiques tels que le noyau de la Terre ou l’atmosphère de Jupiter. Cependant ces systèmes présentent des régimes turbulents dominés par la rotation, ce qui rend l’étude des vents zonaux diÿcile. De ce fait les méchanismes de leur formation et de leur dynamique sont encore mal compris. Les études expérimen-tales permettent une approche complémentaire où toutes les tailles de structures peuvent facilement coexister. Pour des raisons pratiques, la plupart des expériences existantes présentent des régimes di˙érents de ceux des systèmes planétaires.Nous présentons une nouvelle expérience de laboratoire appelée ZoRo pour étudier les vents zonaux. L’originalité de ce nouveau montage est qu’il se rapproche autant que possible des conditions présentes dans les systèmes planétaires. Pour ce faire, nous avons choisi de construire un sphéroïde (sphère aplatie) rempli d’air en rotation rapide.Pour mesurer la vitesse des éoulements nous avons développé une nouvelle technique de mesure qui s’appuie sur les modes acoustiques de la cavité fluide. Cette technique est non-intrusive et particulièrement adaptée à la mesure d’écoulement azimuthaux de grande échelle. Nous avons testé cette méthode sur des cas synthétiques puis des écoulements réels mesurés dans ZoRo. Grâce à la résolution d’un problème inverse, il est possible de remonter au champ de vitesse à partir des fréquences des modes acoustiques.

  • Titre traduit

    Modal acoustic velocimetry in a gas-filled rotating spheroid


  • Résumé

    Zonal flows are expected to play a major role in the heat transfer mechanism of geophysical bodies such as the Earth's core of Jupiter's atmosphere.However due to the turbulent regime the systems are in, and the specific force balance, dominated by rotation, it is very hard to accurately model zonal flows. This causes their formation and dynamics to still not be well understood.Experimental studies propose a complementary approach where all scales of structures coexist. However most of the experimental set-up remain far from the relevant regimes found in the natural systems.We present a new laboratory experiment to study zonal flows induced by thermal convection, called ZoRo. The originality of this new apparatus resides in the fast that all balances, forcings and geometry are closest to the geophysical bodies. In order to match those, ZoRo is a rapidly rotating spheroid (flattened sphere) filled with air.In order to experimentally study zonal flows, all physical ingredients are reunited in the apparatus, and we measure the flow field. Since the working fluid is air, so gaseous, it is very challenging to accurately measure its velocity.To tackle to this problem, we developed a new velocimetry technique based on the acoustic resonances of the fluid cavity, the modal acoustic velocimetry (MAV).As the quantity of interest is velocity, we develop theoretical predictions that take into account the other effects that influence the acoustic spectrum (cavity's geometry, fluid's diffusions, container elasticity etc).Once the velocity contribution is isolated, it is possible to retrieve the flow field using acoustic frequencies through an inverse problem. We test this method against both synthetic cases and real experimental flows measured in ZoRo.MAV is a well-technique for measuring global azimuthal flows such as zonal flows. It is very sensitive to variations in the flow structure, down to a few centimetres.We were able to image the internal flow velocity with non-intrusive sensors thanks to MAV.This thesis is a first landmark towards realistic zonal flows laboratory experiments. The velocimetry technique is fully developed, allowing accurate non-intrusive measurements of zonal flows.


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