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MEUNIER Patrice

Equipe: "Géophysique"

E-mail: meunier@irphe.univ-mrs.fr

Tel: +33 (0)4 13 55 20 69
Fax: +33 (0)4 13 55 20 01

Adresse:

Institut de Recherche sur les Phénomènes Hors Equilibre,
49 avenue F. Joliot-Curie, B. P. 146,
13384 Marseille Cedex 13, France

Workshop/Summerschool on 'Waves and Instabilities in Geophysical and Astrophysical Flows'

Thèmes de recherche: précession, séquestration du CO2, sillages stratifiés, vortex stratifié, PIV, fusion de vortex,

Ma recherche est principalement focalisée sur les écoulements tourbillonnaires et stratifiés, avec application à la géophysique (interne ou externe). La plupart des études sont expérimentales, mais elles sont toujours reliées à des études théoriques menées en parallèle par un autre chercheur du laboratoire. La dualité expérience-théorie permet de pousser les théories jusqu'à des prédictions quantitatives et apporte aussi une très grande compréhension des phénomènes physiques. C'est pourquoi je m'efforce de faire cet aller-retour le plus souvent possible, afin d'engendrer toujours plus d'idées dans ma recherche.

Ecoulements de précession:

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Modes de Kelvin excités par précession dans un cylindre

La précession de la terre est une possible source d'énergie pour la dynamo terrestre. Cependant, les mouvements fluides engendrés dans un objet en précession sont encore mal connus. Nous étudions expérimentalement et théoriquement quel est l'écoulement stable ou instable dans un cylindre ou un ellipsoïde en précession. Dans un cylindre, la précession force les modes libres de vibration du cylindre (les modes de Kelvin) qui sont visualisés ci-dessus par PIV. Ces modes de Kelvin se déstabilisent ensuite par un mécanisme de résonance triadique entre trois modes de Kelvin: le mode forcé par précession et deux modes libres. Une théorie linéaire basée sur ce mécanisme permet de prédire les seuils d'instabilité ainsi que l'écoulement turbulent qui en résulte.

T. Albrecht, H.M. Blackburn, J.M. Lopez, R. Manasseh & P. Meunier (2015). “Triadic resonances in precessing rapidly rotating cylinder flows”, J. Fluid Mech. 662, p. R1.
R. Lagrange, P. Meunier, F. Nadal & Ch. Eloy, (2011). “Precessional instability of a fluid cylinder”, J. Fluid Mech., 666, p. 104-145.

D. Cébron, M. Le Bars & P. Meunier (2010). “Tilt-over mode in a precessing triaxial ellipsoid”, Phys. Fluids (116601).
Meunier P., Eloy C., Lagrange R. & Nadal F. "A rotating fluid cylinder subject to weak precession", J. Fluid Mech., 599 , p. 405 (2008).
Lagrange R., Eloy C., Nadal F. & Meunier P. "Instability of a fluid inside a precessing cylinder", Phys. Fluids, 20 , p. 405 (2008).

Instabilité gravitationnelle induite par dissolution de CO2 :

Instabilité gravitationnelle de la couche de CO2 diffusant dans l’eau dans une cellule de Hele-Shaw

La séquestration du CO2 dans les aquifères salins consiste à injecter du CO2 créant ainsi une bulle de liquide supercritique au-dessus de l’eau présente dans l’aquifère. La diffusion moléculaire du CO2 crée une couche dense dans l’eau qui se déstabilise par instabilité gravitationnelle et accélère fortement la dissolution du CO2. Nos mesures expérimentales ont permis d’améliorer les théories existantes sur la croissance de l’instabilité et sur la vitesse des panaches. Ces études vont être étendues au cas d’un réel poreux 3D transparent grâce au soutien financier de l’ANR CO2-3D.

F. Nadal, P. Meunier, B. Pouligny & E. Laurichesse (2013). “Stationary plume induced by carbon dioxide dissolution”, J. Fluid Mech.. 719, p. 203-229.

Mélange dans les écoulements géophysiques, industriels et biologiques:

Gauche : visualisation expérimentale du mélange spiral dans un vortex. Centre : simulation numérique du mélange obtenu par DSM. Droite : Mélange dans un bioréacteur à disque tournant incliné possédant un éclatement tourbillonnaire.

Le mélange dans les écoulements géophysiques reste largement incompris car la stratification influe fortement sur l’efficacité du mélange. Nous avons développé des méthodes locales afin de prédire le mélange d’un scalaire passif dans des écoulements modèles (tourbillons, turbulence homogène). Ces théories ont donné lieu à une nouvelle méthode numérique, la Diffusive Strip Method (DSM), qui reste efficace dans la limite des grands nombres de Péclet. De plus, nous avons observé expérimentalement pour la première fois l’effet d’une petite perturbation périodique sur une séparatrice, dont le mélange est quantifié par la théorie de Melnikov. Ces travaux ont débouché sur un brevet pour un nouveau type de mélangeur industriel et biologique à très faible cisaillement.

P. Meunier, P. Huck, C. Nobili & E. Villermaux (2015). “Experimental measurement of the Melnikov function”, Phys. Fluids 27(7), p. 077103.
P. Meunier & K. Hourigan (2013). “Mixing in a vortex breakdown flow”, J. Fluid Mech.. 731, p. 195-222 and cover page.
P. Meunier & E. Villermaux (2010). “The Diffusive Strip Method for scalar mixing in two dimensions”, J. Fluid Mech. 662, pp. 134-172.
Meunier P. & Villermaux E. "How vortices mix", J. Fluid Mech., 476, p. 213-222 (2003)

Instabilités de tourbillons stratifiés:

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Instabilité 3D d'un tourbillon incliné dans un fluide stratifié visualisée par ombroscopie

Un tourbillon n'est pas influencé par la stratification si son axe est vertical. Cependant, une légère inclinaison de son axe par rapport à la verticale suffit à créer une couche critique si le nombre de Froude est supérieur à un (visible sur la photo de gauche). Ceci induit de fortes vitesses axiales dans cette couche critique qui créent une instabilité 3D liée aux forts cisaillements verticaux. Cette instabilité crée un fort mélange comme cela se voit sur la photo de droite. Ce mécanisme pourrait être responsable du mélange à l'intérieur des océans, qui reste encore en grande partie inexpliqué. De plus, un tourbillon vertical se déstabilise par l’instabilité radiative, que nous avons mise en évidence expérimentalement pour la première fois dans un tourbillon stratifié.

X. Riedinger, S. Le Dizes & P. Meunier (2011). “Radiative instability of the flow around a rotating cylinder in a stratified fluid”, J. Fluid Mech., 672, p. 130-146.

X. Riedinger, S. Le Dizes & P. Meunier (2010). “Viscous stability properties of a Lamb-Oseen vortex in a stratified fluid”, J. Fluid Mech., 645, pp. 255-278.

Boulanger N., Meunier P., & Le Dizès S. "Structure of a stratified tilted vortex", J. Fluid Mech., 583 , p. 443-458 (2007).

Boulanger N., Meunier P., & Le Dizès S. "Tilt-induced instability of a stratified vortex", J. Fluid Mech., 596 , p. 1-20 (2008).

Sillages dans des fluides stratifiés:

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Ondes internes derrière un objet se déplaçant horizontalement dans un fluide stratifié
(visualisées par la divergence de la vitesse horizontale)

La stratification modifie grandement les sillages des objets non-profilés. Elle limite la croissance du sillage selon la verticale et entretient ainsi son intensité sur de plus longues périodes. Par une étude théorique et expérimentale effectuée à Los Angeles avec Prof. Spedding (AME Department, USC), nous avons déterminé une loi universelle pour tous les objets non profilés, en fonction du coefficient de trainée de ce dernier. Nous avons ensuite généralisé cette théorie au cas d'objets auto-propulsés. D'autre part, les ondes internes (de gravité) créées par l'objet ou par son sillage ont été visualisées par PIV, comme le montre la photo ci-dessus. Elles ont été comparées aux théories existantes et ont montré l'effet d'une taille finie dans la direction verticale.

Enfin, la transition vers la turbulence du sillage d’un cylindre a été étudiée expérimentalement. L’angle d’inclinaison du cylindre et la stratification ont une grande influence sur l’apparition des tourbillons de von-Karman et sur les instabilités tridimensionnelles (visualisées ci-dessous).

Visualisation par ombroscopie de l’instabilité tridimensionnelle (Mode A) du sillage stratifié d’un cylindre vertical

M. Bosco & P. Meunier (2014). “Three-dimensional instabilities of a stratified cylinder wake”, J. Fluid Mech. 759, 149-180.
P. Meunier (2012). “Stratified wake of a tilted cylinder. Part 1: suppression of von Karman vortex street”, J. Fluid Mech., 699, p. 174-197.
P. Meunier (2012). “Stratified wake of a tilted cylinder. Part 2: lee internal waves”, J. Fluid Mech., 699, p. 198-215.
Meunier P., Diamessis P. & Spedding G. "Self-preservation in stratified momentum wakes", Phys. Fluids, 18 (10), (2006).
Meunier P. & Spedding G. "Stratified propelled wakes", J. Fluid Mech., 552 , p. 229-256 (2006).
Meunier P. & Spedding G. "A loss of memory in stratified momentum wakes", Phys. Fluids, 16 (2), p. 298 (2004).

Velocimétrie par Images de Particules (PIV):

$Description : C:\Users\Meunier\HomePage\FusionPIV.jpg$
Exemple d'un champ de vorticité obtenu par PIV, représentant la fusion de deux tourbillons

La PIV est devenue une technique standard pour mesurer des champs de vitesse bidimensionnels instantanés. Cette méthode calcule le déplacement des particules entre deux images par des techniques de corrélation. La prise d'images peut être effectuée très simplement grâce à une tranche lumineuse et une caméra. Mais le traitement des images doit être fait avec beaucoup de précautions afin que l'erreur soit la plus faible possible.

Nous avons mis au point au laboratoire un algorithme de traitement des images PIV, qui donne le champ de vitesse à partir de deux images. Cet algorithme convivial, appelé DPIVsoft a été écrit sous Matlab et peut donc être modifié très simplement. L'algorithme est optimisé pour des champs de vitesse possédant de forts gradients de vitesse, car les zones d'interrogations sont translatées et déformées en fonction des gradients de vitesse. Cet algorithme est disponible ainsi qu'une notice explicative au lien ci-dessous.

Télécharger le logiciel DPIVsoft

Meunier P. & Leweke T. "Analysis and minimization of errors due to high gradients in Particle Image Velocimetry".
Exp. Fluids, 35 (5), p. 408-421 (2003).

Fusion et instabilité de vortex:

$Description : C:\Users\Meunier\HomePage\fusion1.gif$ $Description : C:\Users\Meunier\HomePage\fusion2.gif$ $Description : C:\Users\Meunier\HomePage\fusion3.gif$
Visualisation au colorant de la fusion de deux tourbillons (vue en coupe)

La fusion de deux vortex co-rotatifs apparait dans de nombreux écoulements fondamentaux comme la turbulence ou les couches de mélange mais aussi dans des écoulements plus appliqués comme les sillages des avions de transport ou la turbulence atmosphérique. Notre étude expérimentale a permis d'analyser la fusion bidimensionnelle de deux tourbillons par des visualisations au colorant et par PIV (voir films ci-dessous). Le critère de fusion a été raffiné par rapport à la littérature et la fusion a été décomposée en trois phases. De plus, l’instabilité tridimensionnelle obtenue à grand nombre de Reynolds a été caractérisée expérimentalement. Les taux de croissance et les longueurs d’onde sont en très bon accord avec les prédictions théoriques et ont permis de valider les théories sur l’instabilité elliptique.

$Description : C:\Users\Meunier\HomePage\instab_elliptique.jpg$
Visualisation de l'instabilité elliptique sur deux tourbillons co-rotatifs (vue de côté)

Film de la fusion au colorant (1.5 MB) Film de la fusion par PIV (832kB) Film de la fusion asymétrique (1.5MB)

Film de l'instabilité elliptique dans deux tourbillons corotatifs (479kB)

Meunier P. & Leweke T. "Elliptic instability of a co-rotating vortex pair", J. Fluid Mech., 533, p. 125-159 (2005)
Meunier P., Le Dizès S. & Leweke T. "Physics of vortex merging", C. R. Phys., 6, p. 431-450 (2005)
Meunier P., Ehrenstein U., Leweke T. & Rossi M. "A merging criterion for two-dimensional co-rotating vortices". Phys. Fluids, 14 (8), p. 2757-2766 (2002).
Meunier P. & Leweke T. "Three-dimensional instability during vortex merging", Phys. Fluids, 13 (10), p. 2747 (2001).
Meunier P. & Leweke T. "Unstable vortex merger", Phys. Fluids, 12 (9), p. S6 (2000).