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abstract: The three-dimensional flow contained in a rapidly rotating circular split cylinder is studied numerically solving the Navier--Stokes equations. The cylinder is completely filled with fluid and is split at the midplane. Three different types of boundary conditions were imposed, leading to a variety of instabilities and complex flow dynamics. The first configuration has a strong background rotation and a small differential rotation between the two halves. The axisymmetric flow was first studied identifying boundary layer instabilities which produce inertial waves under some conditions. Limit cycle states and quasiperiodic states were found, including some period doubling bifurcations. Then, a three-dimensional study was conducted identifying low and high azimuthal wavenumber rotating waves due to G\"ortler and Tollmien–-Schlichting type instabilities. Over most of the parameter space considered, quasiperiodic states were found where both types of instabilities were present. In the second configuration, both cylinder halves are in exact counter-rotation, producing an O(2) symmetry in the system. The basic state flow dynamic is dominated by the shear layer created in the midplane. By changing the speed rotation and the aspect ratio of the cylinder, the flow loses symmetries in a variety of ways creating static waves, rotating waves, direction reversing waves and slow-fast pulsing waves. The bifurcations, including infinite-period bifurcations, were characterized and the flow dynamics was elucidated. Additionally, preliminary experimental results for this case are presented. In the third set up, with oscillatory boundary conditions, inertial wave beams were forced imposing a range of frequencies. These beams emanate from the corner of the cylinder and from the split at the midplane, leading to destructive/constructive interactions which produce peaks in vorticity for some specific frequencies. These frequencies are shown to be associated with the resonant Kelvin modes. Furthermore, a study of the influence of imposing a phase difference between the oscillations of the two halves of the cylinder led to the interesting result that different Kelvin modes can be excited depending on the phase difference. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Applied Mathematics 2017

The South China Sea is a marginal basin with a complex circulation influenced by the East Asian Monsoon, river discharge and intricate bathymetry. As a result, both the mesoscale eddy field and the near-inertial energy distribution display large spatial variability and they strongly influence the oceanic transport and mixing. With an ensemble of numerical integrations using a regional ocean model, this work investigates how the temporal resolution of the atmospheric forcing fields modifies the horizontal and vertical velocity patterns and impacts the transport properties in the basin. The response of the mesoscale circulation in the South China Sea is investigated under three different forcing conditions: monthly, daily and six-hourly momentum and heat fluxes. While the horizontal circulation does not display significant differences, the representation of the vertical velocity field displays high sensitivity to the frequency of the wind forcing. If the wind field contains energy at the inertial frequency or higher (daily and six-hourly cases), then Vortex Rossby waves and near inertial waves are excited as ageostrophic expression of the vigorous eddy field. Those waves dominate the vertical velocity field in the mixed layer (vortex Rossby waves) and below the first hundred meters (near inertial waves) and they are responsible for the differences in the vertical transport properties under the various forcing fields as quantified by frequency spectra, vertical velocity profiles and vertical dispersion of Lagrangian tracers.

Nous présentons une étude expérimentale de l’effet d’une rotation d’ensemble sur les écoulements turbulents statistiquement stationnaires. Dans une première expérience, l’écoulement est entretenu à l’aide de générateurs de tourbillons contrarotatifs agissant de manière périodique dans une cuve en rotation remplie d’eau. Des mesures résolues en temps des trois composantes de la vitesse sont réalisées, dans des plans horizontaux et verticaux, à l’aide d’un dispositif de vélocimétrie stéréoscopique par images de particules embarqué dans le référentiel tournant. L’écoulement étudié présente, conformément à la littérature, une forte anisotropie et montre l’émergence d’un mode 2D énergétique. Pour la première fois expérimentalement, nous décrivons le bilan global d’énergie entre échelles d’une turbulence en rotation à travers la mesure des termes de l’équation de Kármán-Howarth-Monin généralisée au cas inhomogène. Nous mettons ainsi en évidence la présence d’une double cascade d’énergie : directe à petite échelle et inverse à grande échelle, l’échelle de renversement des cascades étant décroissante avec le taux de rotation. Nous évaluons ensuite la puissance injectée qui est intrinsèquement liée au caractère inhomogène de l’écoulement. L’injection d’énergie provient de l’auto-advection des structures turbulentes traversant les frontières de la zone de contrôle. Elle est large bande en échelles et s’étale à mesure que la rotation croît. Nous nous intéressons ensuite à la pertinence des modèles de turbulence d’ondes d’inertie. Nous réalisons tout d’abord une analyse spatio-temporelle qui révèle la présence d’ondes d’inertie linéaires à grande échelle spatiale et grande fréquence temporelle. En revanche, nous montrons que la signature spatio-temporelle des structures turbulentes associées aux échelles et fréquences faibles est brouillée par le processus linéaire de balayage stochastique par le mode 2D énergétique. Dans une seconde expérience, l’écoulement est engendré par une hélice constituée de quatre pales rectangulaires dans une cuve fermée en rotation. Nous évaluons le taux de dissipation d’énergie à travers la mesure de la puissance injectée par le moteur qui entraîne l’hélice. Nous fournissons alors, pour la première fois, une preuve directe de la loi d’échelle du taux de dissipation d’énergie prédite par la turbulence d’onde d’inertie qui est diminuée d’un facteur Rossby par rapport à la loi d’échelle de la turbulence 3D homogène et isotrope. / We present an experimental study of the effect of global rotation on statistically stationary turbulent flows. In a first experiment, the flow is generated with counter-rotating vortex generators acting in a periodic motion in a rotating tank filled with water. Resolved in time measurements of the three component of the velocity are performed, in both horizontal and vertical planes, thanks to a stereoscopic particle image velocimetry system embarked in the rotating frame. The flow has, in accordance with the bibliography, a strong anisotropy and shows the emergence of an energetic 2D flow. For the first time experimentally, we describe the global scale by scale energy budget of a rotating turbulence through the measure of the terms of the inhomogeneous generalization of Kármán-Howarth-Monin equation. We thus reveal a double energy cascade: direct at small scale and inverse at large scale, the scale of cascade reversal decreasing with the rotation rate. Then, we evaluate the injected power into the system which is intrinsically linked to the inhomogeneities of the flow. The energy input comes from auto-advection of turbulent structures through the boundaries of the area considered. It is broadband in scales and spreads as ration increases. We then focus on relevance of inertial wave turbulence models. We first perform a spatiotemporal analysis which reveals the presence of linear inertial waves at large frequencies and scales. However, we show that the spatiotemporal signature of small frequencies and scales are scrambled by the linear process of stochastic sweeping by the 2D energetic mode. In a second experiment, the flow is created thanks to a four-rectangular-blade impeller in a closed rotating tank. We estimate the energy dissipation rate through the measure of the injected power by the motor that drives the impeller. We then bring, for the first time, a direct evidence of the scaling law predicted by inertial wave turbulence models which is fallen by a factor Rossby compared to the scaling law of 3D homogeneous isotropic turbulence.

Une grande quantité d'énergie est présente dans les mouvements de rotations propre et orbitale des planètes. Des forçages harmoniques tels que les déformations de marées, la précession ou la libration peuvent en convertir une partie pour générer des écoulements dans les couches fluides d'une planète. Ces écoulements restent largement méconnus même s'ils sont importants pour contraindre des modèles d'intérieur planétaire ou expliquer la présence de champs magnétiques dans certains astres.Dans cette thèse, nous étudions les mécanismes engendrés par ces forçages en combinant une approche théorique, expérimentale et numérique et soulignons la généricité des phénomènes observés. L'étude d'un forçage de libration longitudinale, i.e. des oscillations de la vitesse de rotation d'un astre, montre la présence d'un écoulement zonal généré par des interactions non-linéaires dans les couches visqueuses. Nous étudions ensuite l'instabilité qui apparaît à la paroi pour des amplitudes de libration suffisantes et qui peut transférer de l'énergie vers le volume du fluide. Finalement, une étude expérimentale de forçage de marées dans une sphère met en évidence que l'excitation directe d'ondes inertielles induit un écoulement zonal intense et localisé. Cet écoulement peut se déstabiliser par une instabilité de cisaillement et générer un écoulement turbulent dans tout le volume.Pour finir, nous considérons la pertinence de ces résultats pour des applications géo-/astrophysiques, telles que l'étude des océans internes sous la surface de glace des satellites joviens Ganymède, Encelade et Europe. / A huge amount of energy is stored in the spin and orbital motions of any planet. Harmonic forcings such as libration, precession and tides are capable of conveying a portion of this energy to drive intense three-dimensional flows in liquid layers of planetary bodies. The generated flows remain largely unknown even if they are important to constraint model of planetary interior or to explain the presence of magnetic fields in some astrophysical bodies.In this thesis, we study the mechanisms induced by these forcings by combining theoretical, experimental and numerical approaches and we highlight the genericity of the observed phenomena. The study of a longitudinal libration forcing, corresponding to oscillations of the rotation rate of a planet, shows the presence of a mean zonal flow generated by non-linear interactions in the viscous layers. We then study the instability which appears at the outer boundary at sufficiently large libration amplitude or small Ekman number and which can transfer energy to the bulk of the fluid. Finally, an experimental study of tidal forcing in a sphere shows that the nonlinear self-interaction of excited inertial waves may drive an intense and localised axisymmetric jet, which becomes unstable at low Ekman number following a shear instability, generating space-filling turbulence.To conclude, we consider the relevance of these results to geo-/astrophysical applications, such as the subsurface oceans of the icy satellites Ganymede, Enceladus or Europa.

Les ondes gravito-inertielles jouent un rôle majeur dans les échanges d'énergie globaux sur la planète. Si la génération des ondes est bien connue dans l'atmosphère et l'océan, le devenir de ces ondes au cours de leur propagation n'est pas complètement défini aujourd'hui. Ces ondes peuvent interagir de façon non-linéaire avec elles-mêmes et créer des structures de plus petite échelle qui vont se dissiper plus facilement. Ainsi, le phénomène d'instabilité paramétrique sous-harmonique (PSI), a été étudié de façon expérimentale. Nous avons effectué la première mise en évidence expérimentale de l'interaction de trois ondes planes inertielles bi-dimensionnelles, sous la forme d'une triade résonnante. Cette étude améliore en outre la compréhension de la turbulence en rotation. Les ondes internes peuvent aussi créer, ou interagir avec des écoulements lents de grande échellequi peuvent modifier la biodiversité au fond des océans. Nous avons mis en évidence une situation expérimentale à l'origine d’un tel écoulement moyen induit par les ondes et, à l'aide d'un modèle théorique simplifié, nous avons expliqué la formation de ces écoulements. Enfin, on étudie également des tourbillons en fluide stratifié pour permettre de futures études sur l'interaction d'ondes gravito-inertielles avec des tourbillons. / Inertia-gravity waves play a major role in the global transfer of energy on Earth. Even if wave generation is well understood in the atmosphere and in the ocean, their subsequent evolution is not completely understood. These waves can interact nonlinearly with themselves and create small-scales structures that dissipate more rapidly. Motivated by this, the phenomenon of parametric subharmonic instability (PSI), was studied experimentally. We conducted the first laboratory demonstration of the interaction of three two-dimensional inertial plane waves, as a resonant triad. Inertia-gravity waves can also interact with, and create, mean flows of large scale that can modify the transport of energy, chemical and biological compounds, and thereby have an impact on biodiversity in the ocean. We therefore also demonstrated an experimental situation that gives rise to such a flow field and using a simplified theoretical model, we explained the formation of this flow. Finally, we performed some studies of vortices in stratified fluid, to assist future studies of the interaction of inertia-gravity waves with vortices.