Instabilités strato-rotationnelles : calculs intensifs et expériences

Hochleistungsrechnen und Laborexperimente zu Strato-Rotationsinstabilitäten

High-performance computing and laboratory experiments on strato-rotational instabilities

• Auteur / Autrice : Gabriel Meletti de Oliveira
• Direction : Stéphane Viazzo, Uwe Harlander
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Mécanique et physique des fluides
• Date : Soutenance le 18/12/2020
• Etablissement(s) : Aix-Marseille en cotutelle avec Brandenburgische Technische Universität Cottbus (Allemagne)
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences pour l'ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique, Modélisation et Procédés Propres (M2P2) (Marseille, Aix-en-Provence) - Lehrstuhls für Aerodynamik und Strömungslehre LAS (Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg zur BTU, Germany)
• Jury : Président / Présidente : Christoph Egbers
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nikki Vercauteren, Caroline Nore, Stéphane Abide, Fred Feudel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Innocent Mutabazi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Astrophysique

Géophysique

Gravitation

Accrétion (astrophysique)

Turbulence

Tourbillons (mécanique des fluides)

Mécanique des fluides

Mots clés libres

.

Rotating flow

Stratified flow

Waves in rotating fluids

Pattern formation

Particle Image Velocimetry

High Performance Computing

Direct Numerical Simulations

Résumé

Les vortex en écoulements stratifiés peuvent se manifester à petite et grande échelles dans les applications géophysique et astrophysique. Dans le contexte astrophysique, les disques d’accrétion (à partir desquels les systèmes solaires sont formés) peuvent être considérés comme des tourbillons en milieux stratifiés. En ce qui concerne la formation des planètes, la compréhension des mécanismes qui peuvent entraîner un transport vers l’extérieur du moment cinétique constitue par conséquent un problème central. Pour qu’une planète ou une étoile se forme dans un disque, le moment angulaire doit être transporté loin de son centre afin de permettre l’agrégation de matière par gravité; sinon, sa vitesse de rotation serait beaucoup trop grande pour permettre cette agrégation de matière (et la formation d’étoiles qui en résulte). Dans de tels systèmes constitués de gaz, la turbulence est le mécanisme le plus probable permettant de réaliser un transport de moment angulaire aussi important. Cependant, il a été montré que le profil des écoulements des disques d’accrétion est stable et la question se pose de savoir comment la turbulence peut être générée. Parmi les autres candidats, l’instabilité strato-rotationnelle(SRI) a attiré l’attention ces dernières années. SRI est une instabilité purement hydrodynamique qui peut être modélisée par un système classique de Taylor-Couette (TC) avec une stratification stable due à un gradient axial de salinité ou de température. Dans cette thèse, nous proposons une étude à la fois expérimentale et numérique en se focalisant sur la mise en évidence de nouveaux comportements spécifiques à l’instabilité strato-rotationnelle (SRI).

Stratified vortices can be found from small to large scales in geophysical and astrophysical flows. In the astrophysical context, accretion disks (from which solar systems are formed) can be seen as stratified vortices. In such systems, understanding the mechanisms that can result in an outward transport of angular momentum is a central problem. For a planet or star to be formed in a disk, angular momentum has to be carried away from its center to allow matter aggregation by gravity; otherwise, its rotation speed would be far too large, avoiding matter aggregation (and the consequent star formation) to happen. In such gas systems, turbulence is the most likely mechanism to achieve such a large angular momentum transport. However, it was shown that the flow profile of accretion disks is stable with respect to purely shear instabilities, and the question arises about how the turbulence can be generated. Among other candidates, the strato-rotational instability (SRI) has attracted attention in recent years. In this thesis, a combined experimental and high-performance computing study of new specific behaviors of the strato-Rotational Instability (SRI) is performed.