Some aspects of the dynamics of rotating, stratified and shear flows : astrophysical and geophysical applications

Quelques aspects de la dynamique d'un fluide stratifié en rotation et / ou cisaillé : applications astrophysiques et geophysiques

• Auteur / Autrice : Giulio Facchini
• Direction : Michael Le Bars
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et physique des fluides
• Date : Soutenance le 19/12/2017
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche sur les Phénomènes Hors Equilibre (IRPHE) (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Dauxois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Fromang, Philip Marcus, Colm-Cille Caulfield, Patrice Le Gal
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascale Bouruet-Aubertot, Paul Billant

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes de tempête

Géophysique

Dynamique des fluides

Mots clés libres

Fluides Géophysiques

Instabilités

Fluides Stratifiés Tournants Cisaillés

Disques d'accretion

Geophysical flows

Instability

Accretion disks

Rotating Shear Stratified flows

Résumé

Ce travail de thèse cherche à caractériser, à l'aide d’expériences de laboratoire, le mouvement d'un fluide stratifié à la fois tournant et cisaillé. Dans ce contexte on a considéré trois problèmes qui sont issus des observations géophysiques et astrophysiques où ces écoulements sont très communs. En premier nous avons observé expérimentalement et modélisé l'évolution en temps d'un anticyclone en milieu stratifié tournant, dans le but de comprendre la longévité des meddies, des vortex qui se forment à la sortie de la Méditerranée et peuvent perdurer pendant des années. Nos anticyclones modèles montrent une relaxation visqueuse anormale en raison de l’interaction entre stratification et cisaillement. Nos résultats expérimentaux ont été confirmés à l'aide d'un modèle géostrophique et de simulations numériques qui montrent aussi le rôle majeur joué par les circulations secondaires. Dans un deuxième temps nous avons considéré la stabilité linéaire de l'écoulement de Couette Plan, un des plus simple des écoulement plans cisaillés. On montre que cet écoulement devient instable lorsque l'on ajoute de la stratification verticale. Nous remarquons aussi que la structure spatiale de l'instabilité ressemble à celle de certains jets océaniques que l'on observe près de l'équateur. Enfin nous avons caractérisé une instabilité non linéaire dite des zombie vortex qui a été récemment découverte et pourrait jouer un rôle fondamental dans la déstabilisation des disques d'accrétion, une étape fondamentale de la formation des planétaire. Nous avons construit le diagramme de stabilité de la ZVI dans l'espace de trois fréquences caractéristiques et quantifié la dissipation visqueuse.

The present PhD work comes with the scope of characterizing, analysing and modelling some laboratory flows in the simultaneous presence of rotation, stratification and shear. To this aim we address three specific questions inspired by geophysics and astrophysics where these three ambient features are commonly relevant. First we characterize and model the time evolution of a compact anticyclone in a rotating and stratified laboratory flow. We aim to understand the longevity of analogous vortices known as meddies which populate the Atlantic ocean at the exit of the Mediterranean sea. We observe that viscous relaxation happens in an unusual way because of the balance between rotation and stratification. The results are confirmed by a quasi-geostrophic model and numerical simulations which show the crucial role played by secondary circulations. Secondly we consider the linear stability of one of the simplest parallel shear flow, namely the plane Couette Flow, and show that it becomes unstable when adding a vertical stratification. Interestingly the unstable pattern reminds of deep oceanic jets observed close to the equator. The signature of this instability is observed in an ad-hoc experimental flow and interpreted with the support of direct numerical simulations. Finally we characterize the behaviour of a recently disclosed finite amplitude instability, namely the zombie vortex instability or ZVI. This instability appears when rotation, stratification and shear are of the same order and may may destabilize proto-planetary disks. We construct a stability diagram for ZVI in the space of the three ambient frequencies and analyse the effect of viscous dissipation.