Parois et ondes de surface : dissipation, effet Doppler et interactions non linéaires

Solid boundaries and surface waves : dissipation, Doppler effect and nonlinear interactions

• Auteur / Autrice : Guillaume Michel
• Direction : François Pétrélis, Stéphan Fauve
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 06/09/2017
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique statistique de l'École normale supérieure (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Yves Couder
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Pétrélis, Stéphan Fauve, Yves Couder, Marc Rabaud, Régis Wunenburger, Thierry Dauxois, Laurette S. Tuckerman
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Rabaud, Régis Wunenburger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécanique des fluides

Physique

Mots clés libres

Onde de surface

Capillarité

Ménisque

Dissipation

Couche limite

Exposant critique

Effet Doppler

Turbulence d’ondes

Interactions non linéaires

Système en rotation

Équilibre thermodynamique

Surface wave

Capillarity

Meniscus

Dissipation

Boundary layer

Critical exponent

Doppler effect

Wave turbulence

Nonlinear interaction

Rotating system

Thermal equilibrium

Résumé

Dans cette thèse, nous étudions comment la présence de parois affecte les ondes de surface. La dissipation associée au mouillage, objet central des premiers chapitres, est abordée expérimentalement. Nous mesurons son évolution avec la taille du ménisque et montrons qu’en mouillage total des non-linéarités apparaissent dès que l’oscillation du ménisque atteint l’épaisseur des couches limites. Dans un deuxième temps, nous quantifions les échanges d’énergie ayant lieu lors de laréflexion d’une onde de surface sur une paroi oscillante, appelés effet Doppler généralisé. Après une mise en évidence expérimentale, une approche théorique les évalue et illustre comment leurs effets cumulatifs peuvent mener à des spectres en compétition avec ceux de la turbulence d’ondes. Finalement, nous traitons les interactions entre paquets d’ondes. En géométrie confinée, nous montrons que des résonances à trois ondes gravitaires sont autorisées. Dépassant la problématique des parois, nous caractérisons les interactions entre ondes gravitaires en milieu infini, puis décrivons les grandes échelles de la turbulence d’ondes capillaire.

In this thesis, we study the impact of solid boudaries on surface waves. We first consider the dissipation caused by dynamical wetting. We experimentally show how the damping of surface waves evolves with the size of the meniscus and demonstrate that in perfect wetting it leads to a nonlinear behavior as soon as the meniscus oscillation amplitude compares to the thickness of the boundary layer. Secondly, we investigate energy exchanges through scales occuring when a surface wave reflects on an oscillating wall, the so-called generalized Doppler effect. We evidence the creation of Doppler-shifted waves, compute their amplitudes and illustrate how the continuous bouncing of surface waves on wavemakers may lead to self-similar spectra competing with the ones of wave turbulence. Finally, we focus on nonlinear interaction between surface waves. We prove that gravity waves can undergo triad resonances in confined geometry. Going beyond the consequencies of solid boundaries, we perform experiments on four-wave interactions in the gravity regime and describe large scales in capillary wave turbulence.