Fluid Mechanics and Acoustics Laboratory - UMR 5509

LMFA - UMR 5509
Laboratoire de Mécanique des Fluides et d’Acoustique
Lyon
France


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Écoulements pour la géophysique et l’astrophysique

Écoulements pour la géophysique et l'astrophysique

Les écoulements géophysiques dans l’océan et l’atmosphère sont caractérisés par :
- des nombres de Reynolds très élevés
- une stratification en densité
- l’influence de la rotation terrestre
Notre approche consiste d’une part à utiliser les modèles numériques et théoriques développés depuis de nombreuses années au sein de l’équipe Turbulence et Instabilités pour comprendre la dynamique des écoulements turbulents géophysiques, et d’autre part à tirer profit des observations in situ, qui correspondent à des régimes de turbulence inaccessibles en laboratoire ou dans les simulations numériques, pour tester la validité de nos développements théoriques.

Au cours des dernières années, l’avancée des technologies a rendu possible l’exploration d’environnements extrêmes comme les océans profonds, les atmosphères planétaires, l’héliosphère et le soleil. Grâce à l’évolution du calcul haute performance et aux résolutions sans précédent obtenues par les instruments modernes de détection "in situ" et à la télédétection, la recherche sur la mécanique des fluides appliquée aux écoulements géophysiques joué un rôle indispensable dans la vérification des théories de la turbulence et la confirmation des prévisions de la mécanique statistique. Nous menons une approche synergique qui allie simulations numériques, missions d’observation, expériences de laboratoire et modélisations théoriques. Ceci permet de déboucher sur des applications d’ingénierie présentant des avantages pour la société comme, par exemple le développement de modèles de climat et de météo spatiale à haute résolution, l’amélioration de dispositifs de mesure fondés sur des technologies d’onde sonores et électromagnétiques à usage civil et scientifique (radar, lidar, sondes à ultrasons, satellites de télécommunications).

Les principaux sujets d’investigation de l’équipe "turbulence et d’instabilité" en mécanique des fluides appliquée aux fluides géophysiques concernent :
- la modélisation des cascades turbulentes
- l’intermittence
- les ondes et les instabilités
- la paramétrisation du mélange turbulent


Modélisation des cascades turbulentes

L’injection de l’énergie dans les écoulements géophysiques se fait à grande échelle; le transfert de cette énergie aux petites échelles est un mécanisme fondamental de la turbulence, fortement influencé dans ce contexte par la rotation (cascade inverse) et la stratification (cascade directe). La coexistence de ces deux cascades turbulentes est nécessaire pour clore le bilan énergétique des systèmes géophysiques.

Asymmetry of vertical buoyancy gradient in stratified turbulence

Article in J. Fluid Mech. (2019)

Asymmetry of vertical buoyancy gradient in stratified turbulence

Andrea Maffioli

We consider the asymmetry of the buoyancy field in the vertical direction in stratified turbulence. While this asymmetry is known, its causes are not well understood, and it has not been (...)

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Inverse cascades and resonant triads in rotating and stratified turbulence

Article in Phys. Fluids (2017)

Inverse cascades and resonant triads in rotating and stratified turbulence

D. Oks, P. D. Mininni, R. Marino, and A. Pouquet

Kraichnan’s seminal ideas on inverse cascades yielded new tools to study common phenomena in geophysical turbulent flows. In the atmosphere and the oceans, rotation and stratification result in a (...)

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Dual constant-flux energy cascades to both large scales and small scales

Article in Phys. Fluids (2017)

Dual constant-flux energy cascades to both large scales and small scales

A. Pouquet, R. Marino, P. D. Mininni, and D. Rosenberg

In this paper, we present an overview of concepts and data concerning inverse cascades of excitation towards scales larger than the forcing scale in a variety of contexts, from two-dimensional (...)

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Waves and vortices in the inverse cascade regime of stratified turbulence with or without rotation

Article in J. Fluid Mech. (2016)

Waves and vortices in the inverse cascade regime of stratified turbulence with or without rotation

Corentin Herbert, Raffaele Marino, Duane Rosenberg & Annick Pouquet

We study the partition of energy between waves and vortices in stratified turbulence, with or without rotation, for a variety of parameters, focusing on the behaviour of the waves and vortices in (...)

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Intermittence

La modélisation des écoulements géophysiques est concernée par l’intermittence aussi bien aux grandes échelles via l’interaction ondes-turbulence, qu’aux petites échelles où l’apparition de forts gradients permet la dissipation. Dans ce domaine, l’apport des observations in situ sur de longues séries temporelles est primordial pour valider les prédictions théoriques.

Overview of and first observations from the TILDAE High-Altitude Balloon Mission

Article in Atmos. Meas. Tech. (2017)

Overview of and first observations from the TILDAE High-Altitude Balloon Mission

Bennett A. Maruca, Raffaele Marino, David Sundkvist, Niharika H. Godbole, Stephane Constantin, Vincenzo Carbone, and Herb Zimmerman

Though the presence of intermittent turbulence in the stratosphere has been well established, much remains unknown about it. In situ observations of this phenomenon, which have provided the (...)

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Distinguishing turbulent overturns in high-sampling-rate moored thermistor string observations

Article in J. Mar. Res. (2015)

Distinguishing turbulent overturns in high-sampling-rate moored thermistor string observations

Hans van Haren & Louis Gostiaux

Turbulent overturns are distinguished from salinity-compensated intrusions in high-resolution moored thermistor string observations. The buoyancy frequency N is used to make the time (...)

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Characterizing turbulent overturns in CTD-data

Article in Dyn. Atmos. Ocean. (2014)

Characterizing turbulent overturns in CTD-data

Hans van Haren & Louis Gostiaux

We are concerned with the shape of overturns due to irreversible effects of turbulent mixing through internal wave breaking in the ocean. Vertical $(z)$ overturn displacements $(d)$ are computed (...)

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Ondes et instabilités

En présence de rotation et de stratification, le transfert turbulent de l’énergie est influencé par la propagation des ondes. Inversement, l’énergie transportée par les ondes est susceptible d’être transférée à des échelles plus petites par les instabilités. Les mécanismes non-linéaires d’interaction et de génération des ondes ne sont pas encore bien modélisés dans les écoulements géophysiques et nécessitent des avancées au niveau fondamental.

Particle transport induced by internal wave beam streaming in lateral boundary layers

Article in J. Fluid. Mech. (2019)

Particle transport induced by internal wave beam streaming in lateral boundary layers

E. Horne, F. Beckebanze, D. Micard, P. Odier, L. R. M. Maas & S. Joubaud

Quantifying the physical mechanisms responsible for the transport of sediments, nutrients and pollutants in the abyssal sea is a long-standing problem, with internal waves regularly invoked as (...)

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Weakly nonlinear propagation of small-wavelength, impulsive acoustic waves in a general atmosphere

Article in Wave Motion (2017)

Weakly nonlinear propagation of small-wavelength, impulsive acoustic waves in a general atmosphere

J.F. Scott, P. Blanc-Benon, O. Gainville

Multiple-scale asymptotic analysis is applied to small-wavelength, weakly nonlinear propagation of an impulsive acoustic wave in a general (3D, in-motion and time dependent) atmosphere. In (...)

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Generation of internal solitary waves by frontally forced intrusions in geophysical flows

Article in Nature Communications (2016)

Generation of internal solitary waves by frontally forced intrusions in geophysical flows

Daniel Bourgault, Peter S. Galbraith, Cédric Chavanne

Internal solitary waves are hump-shaped, large-amplitude waves that are physically analogous to surface waves except that they propagate within the fluid, along density steps that typically (...)

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Supercritical dead water: effect of nonlinearity and comparison with observations

Article in J. Fluid Mech. (2016)

Supercritical dead water: effect of nonlinearity and comparison with observations

John Grue, Daniel Bourgault, Peter S. Galbraith

Supercritical ship internal wave wakes with $Fr=U/c_0\sim4–12$ (where $U$ is the ship speed and $c_0$ is the linear internal long-wave speed) are calculated by a strongly nonlinear two-layer model (...)

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Where large deep‐ocean waves break

Article in Geophys. Res. Lett. (2015)

Where large deep‐ocean waves break

Hans van Haren, Andrea Cimatoribus & Louis Gostiaux

Underwater topography like seamounts causes the breaking of large “internal waves” with associated turbulent mixing strongly affecting the redistribution of sediment. Here ocean turbulence is (...)

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Extremely long Kelvin‐Helmholtz billow trains in the Romanche Fracture Zone

Article in Geophys. Res. Lett. (2014)

Extremely long Kelvin‐Helmholtz billow trains in the Romanche Fracture Zone

Hans van Haren, Louis Gostiaux, Eugene Morozov & Roman Tarakanov

In the Atlantic Ocean, the densest water mass Antarctic Bottom Water “AABW” can only cross the Mid‐Atlantic Ridge from its southwestern to northeastern basins in limited, because deep, conduits. At (...)

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Mélange turbulent en géophysique

Le transport turbulent ne pouvant être résolu aux échelles spatiales et temporelles des modèles géophysiques, il est nécessaire de modéliser ces processus de dissipation sous-maille à partir des conditions de rotation et de stratification. A titre d’exemple, la question de l’efficacité de mélange dans les écoulements stratifiés est un des enjeux actuels de l’amélioration des modèles climatiques.

Scaling laws for mixing and dissipation in unforced rotating stratified turbulence

Article in J. Fluid Mech. (2018)

Scaling laws for mixing and dissipation in unforced rotating stratified turbulence

Annick Pouquet, Duane Rosenberg, Raffaele Marino and Corentin Herbert

We present a model for the scaling of mixing in weakly rotating stratified flows characterized by their Rossby, Froude and Reynolds numbers , $Ro$, $Fr$, $Re$. This model is based on (...)

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Vertical drafts and mixing in stratified turbulence: Sharp transition with Froude number

Article in Europhys. Lett. (2018)

Vertical drafts and mixing in stratified turbulence: Sharp transition with Froude number

Fabio Feraco, Raffaele Marino, Alain Pumir, Leonardo Primavera, Pablo D. Mininni, Annick Pouquet & Duane Rosenberg

We investigate the large-scale intermittency of vertical velocity and temperature, and the mixing properties of stably stratified turbulent flows using both Lagrangian and Eulerian fields from (...)

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Convective mixing by internal waves in the Puerto Rico Trench

Article in J. Mar. Res. (2016)

Convective mixing by internal waves in the Puerto Rico Trench

Hans van Haren & Louis Gostiaux

A 2.4 km long deep-sea mooring was deployed for 14 months in the Puerto Rico Trench, the deepest part of the Atlantic Ocean. Below its top buoyancy package, the mooring line held a 200 m long (...)

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Comparison of Ellison and Thorpe scales from Eulerian ocean temperature observations

Article in J. Geophys. Res. C (2014)

Comparison of Ellison and Thorpe scales from Eulerian ocean temperature observations

Andrea A. Cimatoribus, Hans van Haren & Louis Gostiaux

Ocean turbulence dissipation rate is estimated either by means of microstructure shear measurements, or by adiabatically reordering vertical profiles of density. The latter technique leads to the (...)

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