Laboratoire des Écoulements Géophysiques et Industriels




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Présentation de la plateforme Coriolis

La plateforme Coriolis du LEGI
La plateforme Coriolis du LEGI
© Cyril FRESILLON-LEGI-CNRS Photothèque


Responsabilité

La plateforme Coriolis du LEGI est un équipement rattaché à l’équipe MEIGE (Modélisation, Expériences et Instrumentation pour la Géophysique et l’Environnement).

- Responsabilité scientifique : Joël Sommeria  , Eletta Negretti
- Responsabilité technique : Samuel Viboud  , Thomas Valran


Généralités

La plateforme Coriolis, mesurant 13 m de diamètre, est la plus grande plateforme tournante au monde dédiée à la mécanique des fluides. Son activité principale est la modélisation expérimentale des écoulements géophysiques, avec prise en compte de la rotation de la Terre, en présence ou non de stratification en densité ou de topographie. Les grandes dimensions permettent d’approcher les régimes inertiels qui caractérisent la dynamique océanique, avec une faible influence de la viscosité et de la force centrifuge. Les expériences de laboratoire permettent ainsi de tester les modèles de dynamique océanique et de développer leurs paramétrisations physiques.

La plateforme Coriolis a été reconstruite dans les locaux du LEGI à St Martin d’Hères en 2014 sur le modèle de l’ancienne plateforme Coriolis I, construite en 1960, avec des performances améliorées.

Une petite plaque tournante a été aussi installée pour l’enseignement et pour des démonstrations réalisées lors d’évènements de médiation scientifique.

Lycéens autour de la plateforme pédagogique du LEGI
Lycéens autour de la plateforme pédagogique du LEGI


Un outil exceptionnel pour l’étude des écoulements géophysiques

La plateforme Coriolis est un outil exceptionnel pour modéliser expérimentalement les écoulements atmosphériques et océaniques, lesquels sont des phénomènes majeurs dans la vie de la planète. Ses grandes dimensions nous permettent de minimiser l’influence de la viscosité, reproduisant ainsi les écoulements turbulents très proches de ceux connus dans la nature. La rotation nous permet en outre d’introduire la force de Coriolis.


Rotation, topographie, stratification

Tout élément qui se déplace à la surface d’un système en rotation subit une force perpendiculaire à sa vitesse de déplacement : vers la droite dans l’hémisphère Nord, et vers la gauche dans l’hémisphère sud. C’est la force de Coriolis. S’il est nécessaire de prendre en compte la rotation de la Terre pour étudier les fluides géophysiques, il nous faut également tenir compte de deux autres paramètres : la topographie des fonds marins (reproduite au cas par cas grâce à des maquettes en résine) mais aussi les variations de densité (température et salinité) de l’eau. Les variations de densité sont généralement produites en utilisant de l’eau salée obtenue par un fin mélange de saumure et d’eau douce. En combinant tous ces effets, il nous est possible de reproduire un grand nombre de phénomènes naturels, comme l’enroulement des cyclones ou le comportement des meddies, ces lentilles d’eau tourbillonnaires provenant de la Méditerranée qui se forment au niveau de Gibraltar et se déplacent dans l’océan Atlantique sur des milliers de kilomètres, contribuant au transport de chaleur et de nutriments.


Exemples de recherches

La recherche en océanographie et dynamique de l’atmosphère aborde des problèmes complexes qu’il convient de modéliser afin de mieux les appréhender. La confrontation des résultats des modèles physiques avec des observations et des mesures dans la nature, puis avec des modèles mathématiques ou numériques permet une meilleure analyse des phénomènes mis en jeu. Voici quelques exemples de nos recherches mettant en parallèle la nature et notre modèle de physique.

Interactions de tourbillons

La rotation de la Terre engendre de nombreux tourbillons dans l’océan et l’atmosphère. Leurs diamètres respectifs et la distance les séparant conditionnent leur influence mutuelle. Ainsi, suivant les conditions géométriques, deux tourbillons peuvent fusionner ou bien s’ignorer, ce qui conduit à une dynamique complètement différente.

Dans la nature : cyclones en interaction au Japon
Expérience dans la plateforme Coriolis (J.B. Flor, 2005)


Ondes internes

Dans les fluides géophysiques, on observe très souvent une variation de la densité suivant la verticale. Un cisaillement entre deux couches de densité différente peut ainsi générer des ondes à l’interface, appelées ondes internes. Lorsque la variation est continue, on observe alors ces ondes dans tout le volume du fluide. Leur déferlement influence fortement le mélange vertical dans l’océan ou l’atmosphère.

Dans la nature : sillage d’ondes internes aux Îles Sandwich
Expérience WATU (Coriolis,2019)


Sillages

Depuis l’espace, on peut en observant les nuages, déceler dans l’atmosphère le sillage tourbillonnaire des îles montagneuses. Des sillages similaires existent aussi dans l’océan. Ceux-ci peuvent être plus ou moins symétriques suivant les paramètres rencontrés. Une instabilité peut aussi se développer et donner lieu à des mouvements verticaux intenses. Ceci peut conditionner la turbulence et la diffusion dans l’atmosphère.

Dans la nature : Sillage tourbillonnaire au-dessus de Selkirk Island
Expérience (A. Stegner, 2005)


Courant de gravité

La densité d’un fluide est fonction de sa température, de sa composition ou de sa salinité. Un gradient de densité peut alors engendrer des courants, des ondes internes, des fronts, des instabilités, etc. Les plongées d’eaux froides, comme par exemple le courant du Labrador, engendrent de très gros tourbillons cycloniques visibles à la surface de l’océan.

Dans la nature : tourbillon cyclonique sur le Labrador
Expérience TUBE (Coriolis, 2019)


Autres exemples

La superposition de la rotation, de la topographie et de la stratification peut donner lieu à un grand nombre d’écoulements de nature différente. La modélisation physique offre la possibilité de découpler tous les phénomènes en présence pour en isoler les mécanismes de base et en simplifier la compréhension.

Recherche fondamentale et appliquée

Les recherches que nous développons avec la plateforme Coriolis sont essentiellement des recherches sur la physique des processus dans les écoulements géophysiques avec de nombreuses applications.
La plateforme tournante Coriolis nous permet par exemple de comprendre les phénomènes régissant l’apparition de tsunamis. Elle nous a ainsi permis, en collaboration avec le MIT (Massachusetts Institute of Technology), de modéliser et de reproduire en laboratoire ce qui se passe dans le détroit de Luçon, situé à l’est de la Chine, entre Taïwan et les Philippines. Ce carrefour commercial et militaire très fréquenté est connu pour abriter de nombreux tsunamis internes de grande amplitude, lesquels ne produisent paradoxalement aucun effet en surface.

Nous pouvons citer d’autres exemples, comme nos recherches en climatologie et océanographie (par exemple sur les barrières topographiques et courants océaniques chauds contrôlant la fonte de la banquise antarctique ou sur les courants aux limites occidentales) ou encore nos études sur les parcs d’hydroliennes. Ces différentes thématiques intéressent une diversité d’acteurs dans des domaines variés :

  • l’armée, parce que les tsunamis par exemple rendent les sous-marins invisibles aux radars.
  • les plateformes pétrolières parce que la flottabilité est modifiée par les tsunamis
  • les biologistes parce que ces mouvements participent aux mélanges des eaux profondes et de surface, permettant au plancton à faible profondeur de se nourrir.
  • les océanographes et climatologues qui étudient les tsunamis parce que leurs effets locaux joueraient un rôle important dans la circulation océanique globale. Or, les modèles climatiques actuels ne prennent pas bien en compte les effets induits par ces ondes de marées sur la dynamique de l’océan.
  • les industriels sont également intéressés par les possibilités offertes par la plateforme Coriolis. C’est le cas par exemple d’un projet de recherche mené en collaboration avec EDF, Artelia (anciennement Sogreah) et la société Hydroquest concernant des hydroliennes fluviales qui sont parmi les plus performantes du marché.

En savoir plus  : Nos projets de recherche


Un équipement européen de pointe pour accueil de chercheurs

En tant qu’équipement européen de pointe, la plateforme Coriolis accueille régulièrement des chercheurs aussi bien au niveau national qu’international. En effet, la plateforme est impliquée dans le consortium Hydralab+, un projet I3 (Infrastructure Integrated Initiative) regroupant une dizaine d’installations dédiées aux études hydrauliques en Europe.
La plateforme fait également partie du consortium EuHIT, lequel réunit des infrastructures adaptées pour l’étude de la turbulence.
Par ailleurs, différents contrats ERC (European Research Council) ou ANR (Agence nationale de la recherche) soutiennent nos recherches : l’ERC WATU : Internal gravity/inertial wave turbulence porté par Nicolas Mordant sur l’étude des propriétés statistiques de la turbulence d’onde.
Des chercheurs d’institutions Européennes peuvent se faire financer des projets de recherche sur cette installation.
Pour plus d’informations, contacter Joël Sommeria ou Eletta Negretti.


Etude de l’augmentation des flux thermiques océaniques dans l’Antarctique.
Hydralab+/Coriolis, octobre 2017


Accueil des publics lors d’évènements de médiation scientifique

Nous menons au sein du LEGI de nombreuses recherches scientifiques que nous souhaitons partager avec le plus grand nombre, à l’occasion de la visite de notre laboratoire ou lors de la présentation de nos grands équipements.
Pour ce faire, nous participons activement chaque année à La Fête de la science, évènement de médiation scientifique durant lequel nous accueillons à Coriolis, sur plusieurs jours, de nombreuses classes de scolaires. Soucieux de partager ainsi la science avec le grand public, nous recevons aussi régulièrement dans la plateforme des visiteurs en groupes organisés (parcours lycéens, université inter-âge, congrès des professeurs de physique, colloque Hydralab, etc.).
Lors de ces visites, nous invitons les participants à rentrer dans la cuve de Coriolis. Nous leur proposons alors des démonstrations pour apprendre de manière ludique et originale et ressentir par exemple la force de Coriolis. La petite plateforme pédagogique, créée par notre laboratoire, permet également de visualiser certains phénomènes, tel que la formation d’un cyclone.

En savoir plus  :
Le site de la Fête de la science
Lancement de la fête de la science en Isère


Accueil des lycéens dans le cadre de la Fête de la science/Coriolis