From decaying 3D turbulence to anisotropic dominated by rotation

• Auteur / Autrice : Cyprien Morize
• Direction : Marc Rabaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mouvement rotatoire

Tourbillons (mécanique des fluides)

Isotropie

Anisotropie

Résumé

La transition entre la turbulence isotrope 3D et la turbulence anisotrope quasi-2D sous l'effet d'une rotation d'ensemble est étudiée expérimentalement. Un écoulement turbulent est généré par la translation d'une grille dans une cuve remplie d'eau en rotation, et un système de vélocimétrie par images de particules est utilisé pour mesurer les champs de vitesse instantanés dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation. Nous décrivons dans un premier temps les différents régimes qui caractérisent la décroissance de la turbulence : une loi approximativement autosimilaire est présente pour des temps plus petits que le temps d'Ekman, tandis qu'une décroissance exponentielle de l'énergie prend place à temps long. Les exposants de déclin mesurés expérimentalement sont en assez bon accord avec les valeurs prédites par un modèle phénoménologique, dans lequel les effets de la rotation et du confinement sont pris en compte. Même à très faible vitesse, la rotation a une grande influence sur la loi de déclin de l'énergie en faisant que l'échelle intégrale verticale croît beaucoup plus rapidement à travers la propagation d'ondes d'inertie. Nous décrivons, par la suite, l'influence de la rotation sur les transferts d'énergie à travers les échelles. Le coefficient d'asymétrie des dérivées de vitesse décroît comme le nombre de Rossby microscopique, reflétant l'inhibition des transferts d'énergie par la rotation d'ensemble. Enfin nous présentons des résultats nouveaux concernant l'asymétrie cyclone-anticyclone qui caractérise les écoulements en milieu tournant. L'analyse temporelle de cette asymétrie a montré une croissance en loi de puissance tant que le confinement n'est pas présent.

The transition between isotropic 3D turbulence and anisotropic quasi 2D turbulence in a rotating frame is experimentally investigated. Turbulence is generated by rapidly towing a grid in a rotating water tank, and the velocity field in a plane perpendicular to the rotation axis is measured by means of particle image velocimetry. We first describe the differents regimes that characterize the energy decay: a range of approximate self-similar decay is found for times smaller than the Ekman time scale, instead of an exponential decay is found at larger times. The experimental decay exponents are found in good agreement with the predicted values from a phenomenological model, in which both the effects of the rotation and the confinement are taken into account. Even at very weak rotation rates, rotation is shown to have a strong influence on the decay law, by making the vertical integral scale to quickly growth through the propagation of inertial waves. Then we present the influence of a background rotation on the energy transfers from scale to scale. The velocity derivative skewness decreases with the microscopic Rossby number, reflecting the inhibition of the energy transfers by the background rotation. Finally, we present new results about the asymmetry between cyclones and anticyclones which characterize rotating flows. During the decay, a growth of the asymmetry towards cyclonic vorticity is observed as a power law of time as long as the confinement is negligible.