Dynamique tourbillonnaire en milieu peu profond

Abstract

Les milieux peu profonds font partie de notre environnement proche : les zones littorales, les lacs, les lagunes ou encore les milieux océaniques ou atmosphériques stratifiés. La connaissance des écoulements en milieu peu profonds et de leurs propriétés de transport est primordiale pour comprendre la morphologie des lits de rivières ou des zones côtières et pour l’analyse des paramètres naturels et anthropogéniques (chaleur, solides dissous ou en suspension, espèces biologiques), ainsi que pour les prévisions météorologiques. Les observations réalisées sur ces milieux ont mis en évidence une dynamique particulière, liée au confinement vertical. On peut assister à la formation de gros tourbillons horizontaux dont la taille excède très largement la profondeur. Ce travail de thèse vise à améliorer la compréhension de ces phénomènes physiques dans le cas d’une dynamique tourbillonnaire générée par un jet impulsionnel turbulent. Grâce à deux dispositifs expérimentaux complémentaires, l’un à petite échelle au laboratoire Master et l’autre à grande échelle sur la plaque Coriolis, nous avons caractérisé la transition d’un milieu profond à un milieu peu profond. Cette transition est contrôlée par un paramètre adimensionnel que nous avons appelé le nombre de confinement C. Lorsque C est faible, le comportement observé relève de la turbulence tridimensionnelle, le milieu est profond. Pour des grandes valeurs de C, on assiste au développement d’une dynamique de turbulence quasi-bidimensionnelle, le milieu est qualifié de peu profond. En milieu peu profond, les jets pulsés se structurent en gros tourbillons de type dipôles. Une étude détaillée de ces dipôles, à la fois à petite échelle (dipôles laminaires) et à grande échelle (dipôles turbulents), a montré l’existence d’un rouleau frontal généré par la friction sur le fond. L’analyse de ces processus physiques a permis de construire un modèle théorique de dipôle dont les prédictions sont comparés avec succès aux résultats expérimentaux.