Dynamique multi-échelles en fluide stratifié tournant, instabilité de cisaillement et cyclone intense

Multi-scales dynamics in rotating stratified fluid, shear instability and extreme cyclone

• Auteur / Autrice : Guillaume Simon
• Direction : Claude Cambon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences. Mécanique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides et acoustique (Rhône)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Ondes

Cisaillement (mécanique)

Turbulence

Mots clés libres

Théorie de distorsion rapide

Barocline

Résumé

Cette étude traite des fluctuations dans un écoulement de base cisaillé, stratifié et tournant selon une condition d’admissibilité sur le mouvement moyen. Cette condition d’admissibilité est connue sous le nom de relation du vent thermique en météorologie et de relation thermo-haline en océanographie. Par rapport aux études classiques d’instabilités baroclines, qui sont souvent quasi-bidimensionnelles, la nouveauté est que l’écoulement est tridimensionnel et la dynamique est régie par les équations de Boussinesq tri-périodiques. Dans un tel écoulement la turbulence, les ondes et les instabilités sont entremêlées. Le problème linéaire sera étudié grâce à la Théorie de Distorsion Rapide (TDR) et l’aspect non-linéaire grâce à des Simulations Numériques Directes (SND) pseudo-spectrales. Les résultats issus de la TDR et des SND, de par leur homogénéité spatiale, sont une base de connaissance directement utilisable pour l’élaboration de modèles de sous-maille. Les structures tourbillonnaires sont étudiées grâce au skewness de vorticité verticale et à des visualisations tridimensionnelles, ce qui permet d’observer une prédominance des cyclones par rapport aux anticyclones dans la configuration induite par l’écoulement porteur.

This study is about turbulent fluctuation in sheared, stratified and rotating base flows with respect to the admissibility condition on the mean flow. This admissibility condition is known as thermal wind relation for meteorologists and thermohaline circulation for oceanographers. In contrast to the previous study on baroclinic instability, mainly quasi-two-dimensional, the advance is that the flow is three-dimensional and the dynamics is given by the three-periodic Boussinesq equations. In such a flow, turbulence, waves and instability are interleaved. The linear problem will be tracked by Rapid Distortion Theory (RDT) and the non-linear aspect by pseudo-spectral Direct Numerical Simulation (DNS). Results coming from TDR and SND, due to their spatial homogeneity, are a knowledge database that can be directly used for sub-grid scale parameterisation. The vortex structures are investigated by the vertical vorticity skewness and with three-dimensional visualisations. In the simulated flow we find that cyclonic vorties are predominant over anticyclonic structure.