Dynamique tridimensionnelle de dipôles tourbillonnaires en eau peu profonde

Three-dimensional dynamics of vortex dipoles in shallow water configuration

• Auteur / Autrice : Julie Albagnac
• Direction : Olivier Eiff, Pierre Brancher
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tourbillons (mécanique des fluides)

Écoulement tridimensionnel

Dipôles magnétiques

Mots clés libres

Géophysique

Dynamique tourbillonnaire

Ecoulement en eau peu profonde

Tridimensionnalisation d'écoulement

Piv 2d

PIV 3D-3C scannée

Résumé

Les dipôles tourbillonnaires représentent des structures récurrentes dans les écoulements en eau peu profonde. Ils résultent souvent d'une bidimensionnalisation de la turbulence qui est liée à l'effet du confinement vertical. Pourtant, dans plusieurs études récentes, une structure tourbillonnaire secondaire à axe horizontal a été observée sur le front de dipôles expérimentaux en eau peu profonde, remettant ainsi en question l'hypothèse de bidimensionnalité de l'écoulement. Dans le cadre de ces travaux de thèse, nous nous sommes intéressés à ce dernier point en étudiant la génération et la dynamique d'une structure secondaire sur le front du dipôle. Les dipôles tourbillonnaires sont générés expérimentalement par la fermeture d'une paire de pales dans une couche d'eau de faible épaisseur initialement au repos afin d'assurer une structure bidimensionnelle initiale. Les paramètres sans dimension pilotant l'écoulement sont le nombre de Reynolds Re = U0D0/_ (ou U0 et D0 représentent respectivement la vitesse de propagation et le diamètre initial du dipôle et _ est la viscosité cinématique de l'eau) et le rapport de forme des dipôles (ou nombre de confinement) C = h/D0 (ou h est la hauteur d'eau). Une étude paramétrique dans laquelle le nombre de Reynolds Re et le rapport de forme du dipôle C varient a été menée (C 2 [0. 075, 0. 7] et Re 2 [90, 470]). Dans le champ des paramètres étudiés, cinq différentes structures de l'écoulement sont observées. Une cartographie des différents régimes d'écoulement a été obtenue et a permis de montrer que la tridimensionnalisation des dipôles tourbillonnaires en eau peu profonde était contrôlée par un unique paramètre, C2Re. Lorsque une structure secondaire est observée sur le front du dipôle, la dynamique aux temps courts de celle-ci dépend du nombre de Reynolds alors que sa dynamique aux temps longs dépend du rapport de forme du dipôle. Afin de caractériser la structure dans son ensemble et en particulier d'accéder à chacune des étapes de sa tridimensionnalisation, une nouvelle technique de PIV 3D-3C scannée a été mise en place. Elle permet une mesure expérimentale du champ de pression et révéle que les branches du tourbillon transverse généré sur le front du dipôle montent en direction de la surface libre de part et d'autre des tourbillons primaires composant le dipôle.

Vortex dipoles are recurrent coherent structures in shallow water flows. Usually they result from the collapse of patches of turbulence due to vertical confinement. Yet, recent studies have shown the presence of a secondary vortical structure at the front of shallow dipolar vortices with horizontal vorticity, contrasting with the usual concept of two-dimensional flows in shallow water configurations. This possible threedimensionalization has been investigated in the present study, in particular, the criteria for the existence of the spanwise vortex, its generation process and its dynamics. To this end, and to assure initially two-dimensional vortices, vortex dipoles are generated by a flap apparatus in a shallow water layer which is initially at rest. The non-dimensional parameters governing the flow are the Reynolds number Re = U0D0/_ (where U0 and D0 represent the initial propagation velocity of the dipole and the initial diameter of the dipole, respectively, and _ is the kinematic viscosity) and the aspect ratio of the dipole (or confinement number) C = h/D0 (where h is the water depth). To investigate the conditions of the three-dimensionalization, a parametric study in which Re and C are both varied has been performed (C 2 [0. 075, 0. 7] and Re 2 [90, 470]). In the range of parameters investigated, five different structures of the flow have been observed. A cartography of the different topologies in the parameters space and a criterion for the three-dimensionalization of the flow are given, in particular, the three-dimensionalization of shallow dipoles is shown to depend on a single parameter, C2Re. When the spanwise vortex exists, its early-time dynamics depends on the Reynolds number, whereas its late-time dynamics depends on the dipole aspect ratio. The vortex dipole having been shown to be intrinsically three-dimensional, a new 3D-3C scanning PIV measurement technique has been set-up and used to investigate the flow structure. It allows an experimental measure of the pressure field and reveals that the branches of the spanwise vortex generated on the dipole front ascend to the free surface on each side of the primary vortices composing the dipole.