Generation and growth of wind waves over a viscous liquid
Génération et croissance des vagues à la surface d'un liquide visqueux sous l'effet du vent
Résumé
Despite numerous studies on the subject, the development of waves under the action of wind still retains a certain number of open questions. In my PhD, I approach this problem through a fairly uncommon angle: the experimental study of the deformation by wind of the surface of a highly viscous liquid. Indeed, contrary to the major part of the literature on the matter, the liquid I used is not water but a significantly more viscous liquid. Regardless of the fundamental underlying questions, this has the practical advantage of simplifying the problem. Indeed, due to the high viscosity of the liquid, the flow in the liquid stays laminar and the unamplified perturbations of the interface can only propagate over a limited distance.
To observe these deformations at the liquid-air interface, I have developed a new experimental set-up upon which the Free Surface Synthetic Schlieren (FSSS) method of visualization was implemented. This non-intrusive technique allowed to measure with a micrometric accuracy the amplitude of the surface deformation and to access the first deformations at low wind velocity.
First, experiments were conducted over a liquid thirty times more viscous than water. The experimental data obtained by FS-SS show two regimes of deformation of the liquid-air interface. At low wind velocity, the interface is populated with "wrinkles", small-amplitude streamwise spatially disorganized perturbations. These wrinkles can be interpreted as the effect on the interface of the pressure fluctuations in the turbulent wind. At higher windspeed, above a critical velocity, transverse waves appear with quasi-parallel crests perpendicular to the wind direction. The distinctions between the two regimes have been detailed and the nonlinearities emerging above the threshold have also been studied.
Then, the viscosity of the liquid has been changed over a large range. It results from the experiments that the two regimes of surface deformation by wind can be identified for all the viscosities explored. Following these results, a model was developed to account for the evolution of the wrinkles' amplitude both with wind velocity and with viscosity.
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 oeuvre la méthode de visualisation Free Surface Synthetic Schlieren (FS-SS). 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 ont été 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. À 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 perpendiculaires 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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