Generation and growth of wind waves over a viscous liquid

Résumé : Bien qu'ayant suscité de nombreuses études sur le sujet, un certain nombre de questions à propos de la formation des vagues sous l'effet du vent restent sans réponse précise. Dans ma thèse, j'aborde ce problème selon une approche peu explorée : l'étude expérimentale de la déformation sous l'effet du vent de la surface d'un liquide fortement visqueux. En effet, contrairement à la majeure partie de la littérature sur le sujet, le liquide que j'utilise n'est pas de l'eau mais un liquide sensiblement plus visqueux. Indépendamment des questions fondamentales sous-jacentes, cela a en pratique l'avantage de simplifier le problème. En effet, du fait de la forte viscosité du liquide, l'écoulement dans le liquide reste laminaire et les perturbations de l'interface qui ne sont pas amplifiées ne peuvent se propager que sur une distance limitée. Pour observer ces déformations de l'interface liquide-air, j'ai développé un nouveau montage expérimental sur lequel a été mise en œuvre la méthode de visualisation Free Surface Synthetic Schlieren. Cette technique non intrusive a permis de mesurer avec une résolution micrométrique les amplitudes de déformations de la surface et d'accéder aux premières déformations à faible vitesse de vent. Dans un premier temps, les expériences furent conduites sur un liquide trente fois plus visqueux que l'eau. Grâce aux données expérimentales obtenues par FS-SS, deux régimes de déformation de l'interface liquide-air ont été mis en évidence. A vitesse de vent faible, l'interface est recouverte de "wrinkles", des perturbations de faible amplitude désorganisées spatialement et globalement alignées dans le sens de l'écoulement. Ces wrinkles peuvent être interprétés comme l'effet sur l'interface des fluctuations de pression de l'écoulement turbulent d'air. A plus forte vitesse, au-dessus d'une vitesse critique, apparaissent des vagues transverses quasi-parallèles entre elles et perpendiculaire à la direction du vent. Les distinctions entre les deux régimes ont été détaillées et les non-linéarités émergeant au-dessus du seuil ont aussi été étudiées. Par la suite, la viscosité du liquide a été changée sur une large gamme. Il ressort des expériences que les deux régimes de déformation de l'interface sous l'effet du vent peuvent être identifiés pour l'ensemble des viscosités parcourues. Suite à ces résultats, un modèle décrivant l'évolution de l'amplitude des wrinkles en fonction du vent et de la viscosité du liquide a été développé.
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Soumis le : lundi 19 septembre 2016 - 14:30:09
Dernière modification le : vendredi 7 juillet 2017 - 13:43:10

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Anna Paquier. Generation and growth of wind waves over a viscous liquid. Mechanics of the fluids [physics.class-ph]. Université Paris-Saclay, 2016. English. 〈NNT : 2016SACLS183〉. 〈tel-01354993v2〉

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