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Accueil > Groupes de Recherche > Hydrologie Écoulements Géophysiques et Ingénierie de l’Environnement > Ecoulements Géophysiques

Ecoulements Géophysiques

Dans cette thématique, le groupe se consacre à l’étude de l’hydrodynamique en milieu océanique profond, dans l’atmosphère, en particulier aux ondes de gravité de surface et internes, aux tourbillons et à la turbulence. Sont également étudiés des processus non-newtoniens, la dispersion conditionnée par les écoulements turbulents, la stratification du milieu fluide avec en particulier des études sur les courants de gravité et l’impact de la stratification sur la turbulence.

L’objectif de ces études est de contribuer à la compréhension et à la modélisation de processus hydrodynamiques de « petites » et « moyennes » échelles qui interviennent dans ces systèmes et qui peuvent avoir une influence sur les plus grandes échelles, ou sur le milieu environnant. L’approche s’appuie à la fois sur les expériences en laboratoire et sur les simulations numériques.

- Fluides non-Newtoniens
Chercheurs impliqués : L. Lacaze, O. Thual

Les écoulements de boue, de lave, de neige,..., sont des évènements ponctuels dont les impacts sociétaux peuvent être importants. Afin de comprendre la dynamique de ces différents systèmes, nous nous intéressons ici à la description des écoulements à surface libre de fluides non-newtoniens modèles. En particulier, des fluides visco-plastiques sont considérés, permettant de décrire à la fois le caractère non-linéaire de la viscosité et le seuil à la mise en mouvement, souvent observés dans les situations naturelles. Des modèles de type Saint-Venant sont développés en parallèle d’études expérimentales de laboratoire.

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Ecoulement d’un fluide visco-plastique au-dessus d’un obstacle.

- Courants de gravité/turbidité
Chercheurs impliqués : T. Bonometti, M. Mercier, L. Lacaze

Différents problèmes associés à la dynamique d’écoulements gravitaires sont étudiés. Les approches adoptées ici sont la simulation numérique directe des équations de Navier-Stokes ainsi que les expériences en laboratoire.

Nous essayons d’améliorer la compréhension de la dynamique des courants de gravité ou de turbidité dans le cas où le rapport de densité des fluides et la forme initiale sont arbitraires. Ce type d’écoulement est fréquemment rencontré dans les milieux naturels (fronts orageux, tempêtes de sables, avalanches), mais aussi dans les milieux anthropisés lors de situations exceptionnelles susceptibles de représenter un danger pour l’homme (effondrement de bâtiment). Nous étudions également l’évolution de courants de gravité/turbidité associés à une injection contrôlée dans un fluide ambiant homogène ou stratifié.

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Expérience de courants de gravité.

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Simulation d’un courant de gravité.

- Ondes dans les milieux stratifiés
Chercheurs impliqués : M. Mercier, L. Lacaze, O. Thual

Les interactions d’un obstacle avec un écoulement de fluide stratifié jouent un rôle primordial en météorologie et océanographie, notamment pour la modélisation de différents phénomènes géophysiques tels que le mélange au niveau de topographies sous-marines ou la traînée orographique dans l’atmosphère.

Des activités sur la caractérisation d’ondes de sillage dans les fluides en couches ont été menées à (feu) la veine hydraulique de Météo-France, en collaboration avec E.R. Johnson et J.G. Esler (University College London) et A. Paci du CNRM de Météo France (Projet Hydralab), une méthode de stéréovision a été développée pour mesurer la déformation de l’interface. Des travaux plus récents étudient la structure tri-dimensionnelle du champ d’onde, notamment l’analogie avec le sillage de Kelvin et le sillage de Mach, ainsi que l’influence de la signature spectrale du forçage sur l’angle de sillage.

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Schéma du dispositif expérimental (gauche) et champ d’ondes interfaciales rayonné par un objet sphérique (droite).

- Dynamique de particules dans les milieux stratifiés
Chercheurs impliqués : M. Mercier, J. Magnaudet

Lorsqu’un corps solide évolue dans un fluide stratifié, l’entrainement d’un volume de fluide (par effets visqueux ou inertiels) proche de l’objet induit des forces nouvelles sur le corps mobile, notamment une traînée supplémentaire due à la remontée/descente de fluide léger/lourd entrainé.

Nous étudions notamment au sein du groupe la dynamique de corps isolés (sphère, disque) ou en interaction (paires de particules, suspensions), via des approches expérimentales et numériques.

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Disque avec son sillage fluorescent.

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Deux sphères en interaction.

Figures (ci-contre) : Séries temporelles d’objets en sédimentation dans un fluide linéairement stratifié.






- Ecoulements multiphasiques à très forte viscosité
Chercheurs impliqués : J. Magnaudet, T. Bonometti

Lorsqu’un fluide lourd est superposé à un fluide léger, l’effet de la gravité se traduit par une instabilité dite de Rayleigh-Taylor qui tend à amener le premier en-dessous du second. Cette instabilité a été très étudiée dans les régimes dominés par l’inertie et en l’absence de confinement latéral. On s’intéresse au contraire ici au cas où les effets visqueux sont dominants et où les fluides sont confinés à l’intérieur d’un tube cylindrique vertical. Cette situation est notamment rencontrée dans les cheminées magmatiques des volcans.

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Simulations de l’échange d’un fluide lourd initialement placé au-dessus d’un fluide plus léger pour trois formes de perturbation initiale (code JADIM, IMFT).