Etude expérimentale du déferlement des vagues en eau profonde

Sujet de stage
Etude expérimentale du déferlement des vagues
en eau profonde par focalisation spatiale
Laboratoire d’accueil : Equipe écoulements tournants et géophysiques, Institut de Recherche
sur les Phénomènes Hors Equilibre, Marseille (https://www.irphe.univ-mrs.fr/)
Responsables : Michael Le Bars et Patrice Le Gal
Contact : [email protected] et 04 96 13 97 81
Le déferlement des vagues en eau profonde (figure 1a) est un phénomène complexe qui reste
encore mal compris. Si le modèle classique de Stokes implique qu’une vague déferle dès que
sa cambrure (i.e. le rapport entre sa hauteur et sa longueur d’onde) est supérieure à 0.4, il est
en pratique très rare d'observer des vagues dont la cambrure dépasse 0.2. En outre, l’origine
physique de l’augmentation de la cambrure des vagues depuis leur génération par le vent de
surface est aujourd’hui encore sujette à controverse. La recherche est donc très active sur ce
phénomène fondamental de la dynamique des océans, source de turbulence et d’échanges
avec l’atmosphère (transfert de dioxyde de carbone, d’aérosols, etc.).
Nous proposons une explication théorique du mécanisme de déferlement basée sur un
parallèle avec l’optique géométrique (figure 1b) : en raison de leur courbure naturelle,
l’énergie des vagues se focalise progressivement dans les zones convexes du train d’onde, et
le déferlement se produit au niveau du cusp de Huygens, où l’énergie et la courbure sont
fortement accrues par la focalisation spatiale. L’objectif du stage proposé est donc de tester
systématiquement cette théorie en laboratoire, dans la continuité de nos premiers essais
expérimentaux particulièrement encourageants. Nous utiliserons pour cela un bassin de
dimensions 1x1x5 mètres, dans lequel des vagues d’échelle centimétrique seront générées par
les oscillations contrôlées d’un flotteur parabolique (figure 1c). Le processus rapide de
déferlement sera suivi à l’aide d’une caméra rapide capable d’enregistrer plusieurs milliers
d’images à la seconde. Nous pourrons aussi envisager de déterminer des profils de vitesse par
vélocimétrie ultrasonore. Les résultats expérimentaux seront systématiquement comparés
avec la théorie.
Figure 1 - (a) Photographie de déferlement en pleine mer, à l’origine de la formation d’écume ou de
« moutons ». (b)Simulation numérique de la focalisation d’un train d’ondes paraboliques : le cusp de
Huygens où nous attendons le déferlement est clairement visible. (c) Dispositif expérimental : moteur
linéaire et flotteur parabolique pour la génération contrôlée des vagues.