Laboratoire des Écoulements Géophysiques et Industriels




Nos tutelles

CNRS

Nos partenaires

Rechercher


Accueil > Grands équipements > La plateforme tournante Coriolis > Données techniques > Paramètres physiques

Paramètres physiques

Rotation

La rotation de la plateforme est assurée par 23 roues en acier, 10 ayant une motorisation et 13 supportant la charge de 300 tonnes. Les périodes de rotation varient entre 20 et 1000 secondes, avec une stabilité de 1e-4.
Avec la rotation, la surface libre des eaux s’incurve vers le bas, assurant un équilibre entre les forces centrifuges et de pression ; une fois en rotation de corps solide, les effets de la force de Coriolis peuvent être étudiés indépendamment, l’effet des forces centrifuges résultant simplement d’une inclinaison de la gravité.
La mise en place de la rotation du corps solide est appelée "spin-up" et fait en soi l’objet d’une recherche active sur les flux turbulents des couches limites.

Galets de rotation


Abaque rotation Coriolis


Stratification

Par l’utilisation d’un mélange d’eau douce et d’eau salée, différents profils de densité peuvent être élaborés dans la cuve, celle-ci pouvant aussi être remplie en cours de rotation.

L’intervalle typique de densité du fluide va de 1.000 à 1.100kg/m3, mais les mesures PIV peut difficilement être effectuées car les particules correspondant à cette densité sont plus rares.

Graphique permettant d’ajuster la hauteur d’eau et la différence de densité pour une fréquence de Brunt Väisälä donnée.


Similarité dynamique

La similarité dynamique a toujours été un outil essentiel pour traiter les phénomènes d’écoulement complexes. Les souffleries, les réservoirs de remorquage ou les canaux à houle sont encore largement utilisés pour la conception technique. Dans ces cas, les paramètres non dimensionnels pertinents sont les nombres de Reynolds et de Froude. Les progrès de la mécanique des fluides géophysiques reposent aussi largement sur des expériences en laboratoire de modèles, et les grands centres océanographiques possèdent leur propre table tournante pour l’enseignement et la recherche. Les tables tournantes de Woods Hole, du MIT et de l’université de Washington sont parmi les plus célèbres. En France, le plateau tournant de l’ENSTA est à l’origine de recherches très productives. Les plateaux tournants de Grenoble (LGIT) et de Marseille (IRPHE) sont plus spécifiquement consacrés à la compréhension des noyaux liquides des planètes. Une table tournante bien équipée de 2m de diamètre, appelée "Gyroflow", a été récemment installée à Orsay (FAST) pour l’étude fondamentale de la turbulence tournante. Cependant, un grand modèle est nécessaire pour modéliser correctement les effets de la rotation et de la stratification de la densité. Les tables tournantes à l’échelle du mètre ne sont pas en mesure de donner un aperçu de la dynamique multi-échelle, car les petites échelles sont amorties par la viscosité (et modifiées par la tension superficielle).
Techniquement, un système hydrodynamique est caractérisé par une échelle horizontale L, une échelle verticale H, une vitesse U, ce qui donne les nombres sans dimension suivants :

  • Le nombre de Reynolds : LU/\nu
  • Le nombre de Rossby : U / (\Omega L) représentant l’influence de la rotation ambiante,
  • Le nombre de Froude interne U/(HN) : représentant l’influence de la stratification de densité, caractérisé par N = (g\delta \rho/\rho H) ^1 / 2, fréquence d’oscillation verticale des particules de fluide.
  • Le rapport d’aspect :, L / H

Les milieux naturels (à des échelles intermédiaires, 10-100 km) sont caractérisés par un nombre élevé de Reynolds, Rossby et Froude petits ou autour de 1, et de grands rapports d’aspect. Pour un fluide donné, un nombre de Reynolds élevé peut être obtenu en augmentant la vitesse U plutôt que la taille L. On peut alors maintenir un petit nombre de Rossby en augmentant également la vitesse, mais ce n’est pas le même nombre de Froude, la stratification N reste limitée par la physique. La même limitation s’applique à l’utilisation de l’hélium à basse température, qui augmente le nombre de Reynolds en diminuant la viscosité.
La plateforme de Coriolis est donc le seul équipement au monde à combiner une forte stratification (petit nombre de Froude) et une rotation élevée (petit nombre de Rossby). Cela permet par exemple de reproduire une couche limite turbulente de type air ou océan, comme dans l’ANR Transtek (2010-2014), mené par le Laboratoire de météorologie dynamique de Paris. L’éloignement des frontières latérales est également propice à l’étude des phénomènes de propagation des ondes, notamment dans le cadre de l’ANR Topog 3d (2005-2009) et Piwo (2009-2011).
Le problème de similarité pour le transport des sédiments est plus difficile à formaliser. L’indice de bouclier, c’est-à-dire le rapport entre la contrainte de cisaillement du fond et le poids du grain, caractérise la résistance au fluage de la charge du lit. L’indice de Rouse, c’est-à-dire le rapport entre la vitesse de chute des grains et la vitesse du fluide, caractérise la production de sédiments en suspension. Le LEGI a récemment montré (Grasso et al., sous presse) la pertinence de l’utilisation de sédiments modèles appropriés pour reproduire le profil des plages dans le canal à vagues de 36 m de long. Ce problème a également été abordé récemment dans le cadre du projet SANDS de Hydralab III en comparant les résultats de trois grands canaux à vagues en Europe (à Hanovre, Barcelone et Delft). Dans la plupart des problèmes, la rhéologie de la charge de fond est également impliquée. Sogreah a une longue expérience dans l’utilisation de modèles de sédiments appropriés dans diverses situations.