Experimental study of vortex rings impacting a density stratification : vortex dynamics and internal gravity wave generation
Etude expérimentale d'anneaux tourbillonnaires impactant une stratification : dynamique tourbillonnaire et génération d'ondes internes
Résumé
In this work, the interaction between model vortex structures observed in many flows, vortex rings, and a linearly stratified fluid is studied. A light homogeneous vortex ring is generated and penetrates by inertia into a density stratification. The resulting interaction depends on several control parameters which are: the dimensions of the vortex ring, its propagating speed, its orientation relative to the vertical, its initial density and the density gradient of the stratification. For short times, baroclinic vorticity is generated as the vortex ring pushes isopycnal during the penetration phase. The vortex ring dynamics is highly affected by its interaction with the stratified zone leading to reorganisation of the vorticity distribution depending on the control parameters. For long times, internal gravity waves are generated as the stratification relaxes. Several key points are adressed throughout the chapters. What is the maximum penetration depth a vortex ring can reach? What is the mechanism for the vortex ring recoil? What are the time scales of the vorticity reorganisation and generation of internal waves? What are the characteristics of the internal waves generated by the impact of such a localized fluid structure and how to quantify them? What is the influence of the angle of propagation of the vortex ring on the reorganisation of the flow? How is the flow modified when two vortex rings are launched consecutively? What is the role of the time delay between the generation of the vortex rings on the penetration depth reached and the internal waves generated? Qualitative (visualizations) and quantitative (2D-Particles Image Velocimetry and 4D-Particle Tracking Velocimetry) have been deployed to answer these questions.
Cette thèse porte sur l'interaction entre des structures tourbillonnaires modèles et observées dans de nombreux types d'écoulement, les anneaux tourbillonnaires, et un milieu linéairement stratifié en densité. Un anneau tourbillonnaire constitué d'un fluide homogène léger pénètre sous l'effet de son inertie dans une stratification. Les paramètres de contrôle sont les dimensions de l'anneau, sa vitesse de propagation, son orientation par rapport à l'axe vertical, le gradient de densité de la stratification linéaire et la densité du fluide constituant l'anneau tourbillonnaire. Aux temps courts, lors de la phase de pénétration, la distorsion des isopycnes par l'anneau tourbillonnaire est responsable de la génération de vorticité barocline. Aux temps longs, la stratification se relaxe et des ondes internes sont générées. La dynamique de l'anneau est considérablement affectée par son interaction avec le milieu stratifié et la vorticité est amenée à se réorganiser sur des échelles de temps et d'espace qui dépendent des paramètres de contrôle. Différents verrous scientifiques sont abordés au fil des chapitres. Quelle est la profondeur maximale de pénétration de l'anneau et quels sont les mécanismes précurseurs de l'arrêt de la structure tourbillonnaire avant retour en arrière ? Quelles sont les échelles de temps associées à la réorganisation tourbillonnaire et à la génération d'ondes internes ? Quelles sont les caractéristiques des ondes internes forcées par l'impact ponctuel d'une structure tourbillonnaire localisée et comment les décrire ? Quelle est l'influence de l'angle de propagation de l'anneau tourbillonnaire sur la réorganisation de l'écoulement ? Comment est-ce que l'écoulement est modifié lorsque deux anneaux tourbillonnaires sont générés consécutivement ? Existe-t-il une influence du délai de génération entre les deux anneaux tourbillonnaires sur la profondeur de pénétration et sur les ondes internes générées ? Des campagnes expérimentales où des mesures qualitatives (visualisations) et quantitatives (vélocimétrie par image de particule 2D et vélocimétrie par suivi de particules 4D) ont été réalisées pour répondre à ces questions.
Origine : Version validée par le jury (STAR)