Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Nous présentons une étude expérimentale du "spin-up" et "spin-down" en présence d'une stratification linéaire sur un fond plat. Deux comportements très différents ont été mis en évidence selon la valeur du nombre de Burger, une mesure de l'importance relative de la stratification et des effets de Coriolis. Pour des nombres de Burger supérieurs à un, l'écoulement est remarquablement axisymétrique en dehors des couches limites, et aucune instabilité n'est observée malgré le grand nombre de Reynolds. Le confinement de la circulation secondaire du à la stratification est bien décrit par la théorie de Walin (1969), qui omet la viscosité. Cependant, le "spin-up" non-uniforme de l'intérieur provoque des gradients verticaux d'écoulement sensiblesaux effets visqueux. En conséquence, la comparaison avec la théorie montre un taux plus rapide de décroissance de l'écoulement azimutal.On propose une prise en compte simplifié de la diffusion verticale de quantité de movement dans la solution analytique de Walin. Aux temps courts, l'écoulement initial est correctement décrit par l'addition d'effets diffusifs visqueux, mais l'écart entre la théorie et les mesures persiste pour des temps intermédiaires. Pour des nombres de Burger inférieurs à un, le comportement de l'écoulement est très différent. La pénétration plus profonde de la circulation secondaire réduit notamment les gradients verticaux devitesse. La décroissance de la vitesse azimutale est presque verticalement uniforme et le développement des perturbations non-axisymmetriques est observé. Le déclin initial est bien décrit par la solution analytique. Cependant, la décroissance expérimentale est plus faible que la prédiction théorique pour des temps plus longs. L'écart correspond à l'apparition d'une instabilité. Cerésultat est en contradiction avec Smirnov et al. (2005), qui affirment que la formation de tourbillons à grande échelle fournit un mécanisme supplémentaire pour transporter le moment angulaire des frontières vers l'intérieur. En revanche, le transport radial de quantité de movement des couches limites latérales vers l'intérieur expliquerait la plus forte décroissance expérimentale aux temps longs. Le modèle classique d'Eady est cohérent avec les structures expérimentales observées. En considérant une dérivation de ce modèle par Smirnov et al. (2005), ainsi que des conditions initiales pertinentes, nous trouvons une estimation raisonnable du taux de croissance de l'instabilité, ce qui n'aurait pas été le cas avec la théorieclassique d'Eady. Ainsi, le mécanisme de l'instabilité barocline est l'explication la plus plausible pour l'existence d'une instabilité à grand nombre d'onde dans les processus de "spin-up" et "spin-down".

Cemanuscrit présente les résultats d'une étude numérique et expérimentale sur la marée interne et l'interaction de la marée interne avec un talus continental dans un fluide stratifié dans le cas d'une pente super-critique. L'étude numérique est basée sur le code MITgcm, qui résoud les équations de Navier-Stokes non-linéaires et non-hydrostatiques en employant une technique de volumes-finis. Les expériences sont réalisées sur la grande cuve tournante du Coriolis, LEGI en utilisant des techniques PIV et CIV. Nous avons étudié la propagation et la réflexion de la marée interne en présence de rotation et sans rotation. Nos résultats marquants sont la génération de faisceaux d'ondes internes à la fréquence harmonique de la fréquence de forçage, par interaction des faisceaux incident et réfléchi sur le fond de la cuve, l'occurrence d'une instabilité paramétrique sous-harmonique dans le faisceau incident et la définition et l'étude de la largeur du faisceau en fonction des paramètres de forçage et de la rotation.

L'interaction entre des ondes d'inertie-gravité et un vortex en milieu stratifié tournant est étudiée expérimentalement, et numériquement au moyen de simulations basées sur la théorie WKB, ou théorie des rais. Cette étude est réalisée dans le cadre d'applications aux écoulements géophysiques. On considère l'interaction d'ondes planes avec un vortex cyclonique: des vortex forcés, plutôt baroclines, sont créés par la rotation d'un disque tournant; des vortex libres allongés, plutôt barotropes, sont créés par aspiration. Contrairement aux écoulements uni-directionnels, dans des écoulements axisymmétriques, les simulations WKB et les expériences confirment l'existence de 'couches' critiques, d'épaisseur finie, où certaines ondes sont piégées. Les simulations WKB reproduisent bien les expériences et sont mises à contribution pour expliquer le déclenchement du déferlement: on introduit un nombre de Reynolds d'interaction, Rewave, qui mesure la valeur relative du taux de décroissance de la longueur d'onde lors du piégeage par rapport au taux d'amortissement visqueux. Pour les vortex baroclines, les couches critiques sont inclinées et les ondes piégées ne déclenchent pas de déferlement, du fait de valeurs trop faibles du nombre de Reynolds. Pour les vortex barotropes, les couches critiques sont quasi-verticales, et la majeure partie des ondes se propageant face à l'écoulement y sontt piégées, provoquant un déferlement dans les expériences où le nombre de Reynolds est suffisamment élevé (Rewave >200). Ce déferlement est associé à une inversion locale du champ de densité, qui déclenche une instabilité convective, et conduit à un dépôt de vorticité négative dans la zone extérieure du vortex. Quant au mélange, il est associé à deux mécanismes distincts: la perturbation du vortex par le champ d'ondes forme des bandes de mélange chaotique; le déferlement génère des zones turbulentes, dont la pénétration vers le coeur du vortex dépend de l'énergie apportée par les ondes déferlentes.

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.

La dynamique des courants de gravité turbulents sur une pente uniforme en rotation est analysée par des expériences. Ces écoulements denses jouent un rôle important en océanographie dans le renouvellement des eaux profondes qui font parties du cycle de convection thermohaline global. La grande cuve tournante Coriolis (LEGI) permet d'étudier à l'échelle du laboratoire un courant de gravité en similitude avec les échelles océaniques.<br /> La propagation de ces courants est fortement influencée par la rotation et le mélange turbulent avec le milieu ambiant, et sa dynamique est instable. Les interactions entre le courant et le milieu ambiant liées aux phénomènes d'entraînement et d'extraction de fluide, contrôlent la position de stabilisation du courant le long des côtes, sa densité et sa vitesse. Des lois d'échelle basées sur la conservation du flux de flottabilité sont proposées, décrivant l'évolution des principales caractéristiques de l'écoulement le long de la pente. <br />Elles montrent le caractère auto-similaire du courant de gravité. L'analyse des résultats expérimentaux permet de vérifier ces lois et d'étudier la structure turbulente de l'écoulement.<br />Des instabilités de plus grande échelle sont observées, générant des tourbillons cycloniques qui sont également visibles dans les écoulements océaniques. Leur étude permet de suggérer le mécanisme de leur formation. Les résultats expérimentaux sont comparés par similitude aux mesures in-situ du courant dense s'écoulant par le détroit du Danemark.

Les ondes internes sont produites par suite de l’équilibre dynamique entre les forces de flottabilité et la gravité quand une particule de fluide est déplacée verticalement dans un milieu stratifié stable. Les systèmes géophysiques tels que océan et l’atmosphère sont naturellement stratifiés et donc favorables à la propagation des ondes internes. En outre, ces deux environnements stockent une grande quantité de particules tant dans leur intérieur que sur les bords. Par conséquent, les ondes internes et les particules vont inévitablement interagir dans ces systèmes. Au cours de ce travail, des expériences exploratoires sont réalisées pour étudier le transport par érosion des particules, généré par les ondes internes. Afin de déterminer un seuil de transport, les propriétés particulières des réflexions d’ondes internes («réflexion critique ») sont utilisées pour augmenter l’intensité du champ d’ondes à la surface de réflexion. Une méthode a été développée en collaboration avec une équipe de traitement du signal pour améliorer la détermination des composantes de l’onde impliquées dans une réflexion quasi critique. Cela nous a permis de comparer nos résultats expérimentaux avec une théorie de la réflexion critique, montrant un bon accord et permettant d’extrapoler ces résultats à des expériences au-delà de la nôtre et à des conditions océaniques. Nous avons aussi étudié l’interaction des ondes internes avec une colonne de particules en sédimentation. Deux effets principaux ont été observés : la colonne oscille autour d’une position d’équilibre, et elle est déplacée dans son ensemble. La direction du déplacement de la colonne est expliquée par le calcul de l’effet de la dérive Lagrangienne produite pour des ondes. Cet effet pourrait également expliquer la dépendance en fréquence du déplacement. / Internal waves are produced as a consequence of the dynamic balance between buoyancy and gravity forces when a particle of fluid is vertically displaced in a stably stratified environment. Geophysical systems such as ocean and atmosphere are naturally stratified and therefore suitable for internal waves propagation. Furthermore, these two environments stock a vast amount of particles at their boundaries and in their bulk. Therefore, internal waves and particles will inexorably interact in these systems. In this work, exploratory experiments are performed to study wave generated erosive transport of particles. In order to determine a transport threshold, the peculiar properties of internal waves (“critical reflection”) are employed to increase the intensity of the wave field at the boundaries. A method was developed in collaboration with a signal processing team to improve the determination of the wave components involved in near-critical reflection. This method enabled us to compare our experimental results with a theory of critical reflection, showing good agreement and allowing to extrapolate these results to experiments beyond ours and to oceanic conditions. In addition, we study the interaction of internal waves with a column of particles in sedimentation. Two main effects are observed: the column oscillates around an equilibrium position, and it is displaced as a whole. The direction of the displacement of the column is explained by computing the effect of the Lagrangian drift of the waves. This effect could also explain the frequency dependence of the displacement.

La cascade d’énergie qui a lieu dans les océans, depuis les grandes vers les petites échelles, est capitale pour comprendre leur dynamique et le mélange irréversible associé. Les attracteurs d’ondes internes font partie des mécanismes conduisant potentiellement à une telle cascade. Dans ce manuscrit, nous étudions expérimentalement les attracteurs d’ondes internes, dans une cuve trapézoïdale remplie d’un fluide stratifié linéairement en densité. Dans cette géométrie, les ondes peuvent être focalisées vers un cycle limite : l’attracteur. Nous montrons que la formation de l’attracteur est purement linéaire : des petites échelles sont donc créées grâce à la focalisation des ondes. Les principales caractéristiques de l’attracteur dépendent uniquement de la géométrie trapézoïdale de la cuve. A l’échelle de l’océan, nous montrons que les attracteurs d’ondes internes sont très probablement instables. En effet, ceux-ci sont sujets à une instabilité de résonance triadique, qui transfère de l’énergie depuis l’attracteur vers un couple d’ondes secondaires. Cette instabilité et ses principales caractéristiques sont décrites en fonction de la géométrie du bassin. Pour des expériences de longue durée, l’instabilité produit plusieurs paires d’ondes secondaires, créant une cascade d’instabilités triadiques et transférant l’énergie injectée à grandes échelles vers des échelles plus petites. Nous montrons, pour la première fois de façon expérimentale, de très fortes signatures de turbulence d’ondes internes. Au delà de cet état, la cascade atteint un régime de mélange partiel du fluide stratifié. Cet ultime régime apparait indépendant de la géométrie trapézoïdale du bassin, et donc, universel. Cette thèse est complétée par une étude sur la masse ajoutée et l’amortissement par émission d’ondes d’objets oscillant horizontalement dans un fluide stratifié en densité. Cela a des applications concernant la conversion de l’énergie des marées en ondes internes. / A question of paramount importance in the dynamics of oceans is related to the energy cascade from large to small scales and its contribution to mixing. Internal wave attractors may be one of the possible mechanisms responsible for such a cascade. In this manuscript, we study experimentally internal wave attractors in a trapezoidal test tank filled with linearly stratified fluid. In such a geometry, the waves can form closed loops called attractors. We show that the attractor formation is purely linear: small scales are thus created by wave focusing. The attractor characteristics are found to only depend on the trapezoidal geometry of the tank. At the ocean scale, we show that attractors are very likely to be unstable. Indeed, internal wave attractors are prone to a triadic resonance instability, which transfers energy from the attractor to a pair of secondary waves. This instability and its main characteristics are described as a function of the geometry of the basin. For long-term experiments, the instability produces several pairs of secondary waves, creating a cascade of triadic interactions and transferring energy from large-scale monochromatic input to multi-scale internal-wave motion. We reveal, for the first time, experimental convincing signatures of internal wave turbulence. Beyond this cascade, we have a mixing regime, which appears to be independent of the trapezoidal geometry and, thus, universal. This manuscript is completed by a study on added mass and wave damping coefficient of bodies oscillating horizontally in a stratified fluid, with applications to tidal conversion.

Cette thèse est une étude expérimentale sur mélange par des écoulements anisotropes turbulents en fluide stratifié. Il s'inscrit dans un projet sur l'étude globale de la structure de l'océan, principalement de sa couche supérieure. Le mélange est étudié en détail, à partir d'expériences réalisées en bicouche de densité dans un dispositif Taylor - Couette. En régime laminaire, le transport dans les zones initialement homogènes est moins intense que le flux de matière arrachée au niveau de l'interface. De multiples interfaces de densité apparaissent et leur action combinée contrôle les flux verticaux de densité. En régime turbulent, on trouve une relation entre flux et gradient de densité qui prédit un flux maximum pour des nombres de Richardson RIO d'environ 10. Un regain d'efficacité est observé pour les très grandes valeurs de RIO. Ces résultats vont dans le sens de la théorie de Balmforth (1998). Pour ces fortes valeurs de RIO, l'observation de l'écoulement par L.I.F., indique une activité intense des ondes et la présence de structures turbulentes de très petites échelles.

La marée interne générée sur une topographie est un élément clé des transferts énergétiques des échelles de forçage de l'océan vers les échelles de mélange turbulent. Elle contribuerait à près de la moitié du mélange turbulent nécessaire au maintien de la stratification océanique. Une compréhension plus approfondie des processus mis en jeu est nécessaire pour décrire plus précisément son rôle dans le maintien de la circulation océanique. Cette thèse s'inscrit dans la continuité des travaux d'Y. Dossmann (2012) portant sur les ondes internes solitaires générées au dessus d'une dorsale océanique. Ces travaux reposent sur une utilisation complémentaire d'expériences physiques menées dans le grand canal du CNRM-GAME et d'expériences numériques à l'échelle du laboratoire effectuées avec le modèle d'océanographie côtière SNH. L'utilisation simultanée de ces deux outils a notamment permis d'évaluer la validité des hypothèses sous-jacentes de ce modèle et le développement de nouveaux schémas numériques. Dans cette thèse, des simulations numériques utilisant la version non-hydrostatique et non-Boussinesq du modèle SNH sont utilisées pour décrire les différents régimes d'ondes internes dans des régions " supercritiques ". Le terme supercritique désigne à la fois des courants de marée intenses dont la vitesse U est supérieure à la vitesse de propagation des ondes internes cn, et des topographies très abruptes dont l'angle de la pente est supérieur à l'angle du rayon d'onde interne dans la pycnocline . De telles conditions environnementales correspondent à des régions de mélange intense, jusqu'à 10 000 fois supérieur au mélange turbulent observé dans l'océan ouvert. Les processus physiques ayant lieu dans ces régions restent encore mal compris et mal représentés par les paramétrisations d'ondes internes existantes. De plus, ces régions sont également des zones propices à la génération d'ondes internes non-linéaires pouvant se propager pendant plusieurs jours et entraînant ainsi des transferts d'énergie significatifs loin de leur zone de génération. La description des processus turbulents en jeu dans ces régions " extrêmes " constitue le cœur de ma thèse. Dans une première partie, des configurations académiques à l'échelle du laboratoire sont mises en place pour étudier les processus en jeu dans différents régimes " supercritiques " de génération d'onde internes. Des simulations numériques directes sont réalisées et permettent d'identifier un nombre limité de paramètres physiques adimensionnés contrôlant la dynamique des ondes internes dans ces régions. Une attention particulière est portée sur le rôle joué par la topographie sur la génération des modes verticaux d'ondes internes et sur la formation de modes " hauts " d'ondes internes solitaires. Le second objectif de cette thèse est de faire le lien entre les précédentes études académiques à l'échelle du laboratoire et l'échelle océanique. Pour cela, un principe de similitude permettant de conserver la dynamique des ondes internes tout en modifiant l'échelle de l'écoulement est mise en place. Par le biais de ce principe de similitude, nous partons de cas idéalisés à l'échelle du laboratoire, que nous transposons à l'échelle océanique, pour nous rapprocher de cas océaniques plus réalistes et de plus en plus complexes. Puis notre étude de régime est étendue à deux régions océaniques " supercritiques " bien connues : le détroit de Gibraltar et le plateau situé à l'entrée du golfe du Maine (nommé " Georges Bank " en anglais). L'applicabilité de nos paramètres clés est étudiée dans le cas de ces deux environnements complexes par le biais de simulations haute résolution de grande échelle (LES). / Internal tides are involved in the Meridional Overturning Circulation energy balance. The issue about the relative importance of the mechanical and thermodynamical energy sources induces a need for a quantitative evaluation of the energy transfers and for a clear understanding of the physical processes involved in these energy transfers. In supercritical regions such as the strait of Gibraltar or the Hawaiian Ridge, large topography variations and strong currents lead to more complex generation mechanisms of internal waves and environmental interactions. They can be subject locally to spectacular breaking, with turbulent structures observed hundreds of meters above the seafloor, and driving turbulence orders of magnitude higher than open-ocean levels. These regions are also effective at generating nonlinear internal waves (ISWs) which persist for days after their generation and are suspected to be responsible for important remote energy transfers. In these "extreme" regions, ISWs dynamics is also more difficult to model. These situations are highly non-hydrostatic and non-linear with strong instabilities, strong velocity and density gradients and steep slopes. Moreover, in these regions, actual internal wave's parameterizations are often inadequate. So there is a real need to understand and represent better the ISWs dynamic in these areas. This thesis follows the line of research of Dossmann (2012), on topographically induced internal solitary waves which used a complementary approach relying on numerical and experimental configurations at laboratory scale. In this context, we continue to explore internal tide regimes but in "supercritical" regions: internal tide generation area with supercritical topography and hydraulic control. Simulations are performed using the nonhydrostatic and non-Boussinesq version of the regional oceanic circulation model SNH. In a first part, taking an idealized modeling approach at laboratory scale, we examined a range of different internal waves regimes in "supercritical" regions. Relying on quasi-direct numerical simulations (quasi-DNS), a regime analysis has been proposed using and identifying key non-dimensional parameters for ISWs dynamics. This analysis has permitted to recover a topographic control on vertical mode generation characterized by the ratio of vertical mode wavelength to topography width, even above supercritical topography. The topographic selection criterion has proven to be a useful indicator of high mode solitary wave formation in non-linear regime. The purpose of the second part is to extend the previous studies at laboratory scales towards more realistic oceanic conditions. In this regard, the regime analysis is applied to a idealized large scale oceanic strait through a similitude principle. The idealized strait configuration succeeds in representing laboratory scale strait regime at largest and realistic scales. Then our analysis is applied to two well-known realistic cases: the Strait of Gibraltar and Georges Bank through large eddy simulations. These two oceanographic "supercritical" regions are particularly interesting for their specific topography and stratification conditions.