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Bars, Michael Le

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Works: 21 works in 29 publications in 2 languages and 219 library holdings
Roles: Editor, Opponent, Other, Thesis advisor, Author
Publication Timeline
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Most widely held works by Michael Le Bars
Fluid mechanics of planets and stars by Daniel Lecoanet( )

8 editions published between 2019 and 2020 in English and Undetermined and held by 196 WorldCat member libraries worldwide

This book explores the dynamics of planetary and stellar fluid layers, including atmospheres, oceans, iron cores, and convective and radiative zones in stars, describing the different theoretical, computational and experimental methods used to study these problems in fluid mechanics, including the advantages and limitations of each method for different problems. This scientific domain is by nature interdisciplinary and multi-method, but while much effort has been devoted to solving open questions within the various fields of mechanics, applied mathematics, physics, earth sciences and astrophysics, and while much progress has been made within each domain using theoretical, numerical and experimental approaches, cross-fertilizations have remained marginal. Going beyond the state of the art, the book provides readers with a global introduction and an up-to-date overview of relevant studies, fully addressing the wide range of disciplines and methods involved. The content builds on the CISM course "Fluid mechanics of planets and stars", held in April 2018, which was part of the research project FLUDYCO, supported by the European Research Council (ERC) under the European Union's Horizon 2020 research and innovation program
Convection thermique dans un fluide visqueux hétérogène : phénoménologie, lois d'échelle et applications aux systèmes terrestres by Michael Le Bars( Book )

2 editions published in 2003 in French and held by 3 WorldCat member libraries worldwide

Le manteau terrestre est hétérogène, mais les caractéristiques de ses réservoirs sont inconnues. Nous avons donc étudié un système simple, dans lequel deux fluides miscibles de densités et de viscosités différentes sont soumis à un contraste thermique déstabilisant. A faible nombre de flottabilité B (rapport entre la stratification chimique et l'anomalie thermique de densité), la convection se développe sur l'intégralité du systeme, tandis qu'à B plus fort, les fluides convectent séparémént. dans les deux cas, le mélange prend place progressivement. Plusieurs comportements transitoires sont cependant possibles, parmi lesquels le régime pulsatif où de grands dômes oscilent sur toute l'épaisseur du système. Sur Terre, notre modèle analogique suggère une évolution depuis un régime à deux couches vers un régime à une couche.Une dynamique pulsative serait susceptible de fournir une explication simple aux grandes pulsations géologiques enrigistrées sur les planètes terrestres
Ondes hydro-magnétiques dans un modèle Quasi-géostrophique du noyau terrestre by François Labbé( )

1 edition published in 2015 in French and held by 2 WorldCat member libraries worldwide

Variations of the Earth's magnetic field are documented by ground observatories and low-orbiting satellites, for time scales from year to century.On such periods, dynamics of the outer core -- where the creation of the magnetic field takes place -- is strongly influenced by the Earth rotation, which tends to impose invariance of the flow in the direction parallel to the rotation axis.In this thesis report, I study a model based on this bi-dimensional velocity field hypothesis, the quasi-geostrophic model.I present a new mathematical formulation of this model through a variational approach, better suited to steep slopes on the boundaries of the spherical domain.I present a modal study of hydromagnetic waves, taking into account for the first time the impact of a non-zonal imposed magnetic field.Two groups of hydromagnetic waves are present : centennial magneto-Coriolis waves and interannual torsional Alfvén waves.I describe evolution of those waves as the effect of rotation is intensified until Earth-like parameters are reached.I also discuss in what measure an other version of the quasi-geostrophic model, where Lorentz force is represented by quadratic products of the magnetic field, can be adapted to understand tridimensional dynamo numerical simulations.I observe that for parameters available today, magnetic forces are weak.In the future, we hope to use the Quasi-geostrophic model in the context of satellite data assimilation
Dynamique du fractionnement thermique et chimique lors de la différenciation des planètes telluriques by Victor Lherm( )

1 edition published in 2021 in French and held by 1 WorldCat member library worldwide

During the formation of the solar system, terrestrial planets formed by the successive accretion of increasingly massive bodies. These planets simultaneously differentiate into a metal core surrounded by a silicate mantle. The metal core of the impactors is in thermodynamic disequilibrium with the silicates of the growing planet, which produces metal-silicate mass and heat transfers, and leads to a chemical and thermal fractionation between the mantle and the core. Fractionation is constrained by geochemical data, which also provide information on the chronology of accretion and on the thermodynamic conditions of differentiation. The interpretation of geochemical data, together with the thermal, chemical and magnetic evolution of the planets, and the resulting geodynamical consequences, depend crucially on the metal-silicate equilibration efficiency. The purpose of this thesis is therefore to study heat and mass transfers in magma oceans in order to better constrain the equilibration efficiency. The first part focuses on the influence of planetary impacts on metal-silicate equilibration. Analogue laboratory experiments are used to study the evolution of the crater size, the mixing produced during the impact and the cratering velocity field. The second part focuses on metal-silicate equilibration during the post-impact stage, i.e. during the migration of the metal phase in the magma ocean as a turbulent thermal. Numerical simulations and experiments are then used to determine the role of the metal phase stretching on the equilibration dynamics
Ondes gravito-inertielles dans les étoiles et les planètes géantes : propagation, dissipation et échanges de moment cinétique by Quentin André( )

1 edition published in 2019 in French and held by 1 WorldCat member library worldwide

Les ondes internes gravito-inertielles sont des ondes se propageant dans les milieux fluides stablement stratifiés en rotation. Leurs forces de rappel sont la poussée d'Archimède et l'accélération de Coriolis. Elles sont capables de redistribuer de l'énergie et du moment cinétique du fait de leur dissipation et de leur possible déferlement non-linéaire, jouant ainsi un rôle crucial dans l'évolution dynamique des corps dans lesquels elles se propagent. Dans cette thèse, nous nous attachons à caractériser leur propagation, leur amortissement et les échanges de moment cinétique qu'elles induisent, dans les environnements complexes que sont les intérieurs stellaires et de planètes géantes.Au sein des planètes géantes, nous étudions la propagation et la dissipation d'ondes gravito-inertielles de marée, dans une région de convection stratifiée susceptible de se développer proche du cœur. Nous nous intéressons tout d'abord à leur propagation libre et nous montrons qu'une onde incidente sur une telle région est efficacement transmise à condition qu'elle soit résonante avec un de ses modes propres. Sinon, l'onde est réfléchie et ne pénètre pas dans les régions plus profondes de la planète. Ensuite, nous étudions numériquement la dissipation de marée induite lorsque ces ondes sont excitées par un forçage gravitationnel dû à la présence d'un satellite. Nous montrons que le taux de dissipation de marée est en moyenne augmenté par rapport à un milieu purement convectif. Les contributions les plus importantes à cette augmentation proviennent de la dissipation des ondes gravito-inertielles résonantes avec les modes propres de la région de convection stratifiée, qui sont aussi celles qui sont efficacement transmises. Ces résultats sont compatibles avec les hauts taux de dissipation de marée récemment observés dans Jupiter et Saturne.Dans les zones radiatives des étoiles, nous présentons en premier lieu une étude semi-analytique linéaire de l'influence de la rotation globale et différentielle, sur le transport de moment cinétique induit par la dissipation des ondes gravito-inertielles. Dans un modèle équatorial, nous montrons que la rotation a pour effet l'augmentation de la dissipation thermique des ondes. Celle-ci est particulièrement significative dans leur région d'excitation, modifiant ainsi le dépôt de moment cinétique. Nous montrons que cet effet se révèle d'autant plus efficace que l'étoile est jeune et massive. En parallèle de ce travail semi-analytique, cette thèse s'est attachée à développer un modèle 3D non-linéaire ab initio d'une étoile massive couplant le coeur convectif à une enveloppe radiative étendue, sous l'influence de la rotation. L'analyse détaillée de simulations numériques à haute performance, réalisées avec le code ASH, nous a permis de caractériser les propriétés du spectre d'excitation des ondes et des modes résonants qui s'établissent dans l'enveloppe radiative. Proche de la surface de l'étoile, nous montrons que les ondes peuvent atteindre une amplitude suffisante pour interagir de manière significative avec la rotation différentielle. Simultanément, nous y examinons le possible déferlement non-linéaire des ondes. Ce travail numérique offre de nouveaux outils d'interprétation en lien avec les observations sismiques des étoiles, en synergie avec la théorie linéaire des oscillations stellaires
Forçage harmonique d'écoulements en rotation : vents zonaux, ondes inertielles et instabilités by Alban Sauret( )

1 edition published in 2013 in French and held by 1 WorldCat member library worldwide

Une grande quantité d'énergie est présente dans les mouvements de rotations propre et orbitale des planètes. Des forçages harmoniques tels que les déformations de marées, la précession ou la libration peuvent en convertir une partie pour générer des écoulements dans les couches fluides d'une planète. Ces écoulements restent largement méconnus même s'ils sont importants pour contraindre des modèles d'intérieur planétaire ou expliquer la présence de champs magnétiques dans certains astres.Dans cette thèse, nous étudions les mécanismes engendrés par ces forçages en combinant une approche théorique, expérimentale et numérique et soulignons la généricité des phénomènes observés. L'étude d'un forçage de libration longitudinale, i.e. des oscillations de la vitesse de rotation d'un astre, montre la présence d'un écoulement zonal généré par des interactions non-linéaires dans les couches visqueuses. Nous étudions ensuite l'instabilité qui apparaît à la paroi pour des amplitudes de libration suffisantes et qui peut transférer de l'énergie vers le volume du fluide. Finalement, une étude expérimentale de forçage de marées dans une sphère met en évidence que l'excitation directe d'ondes inertielles induit un écoulement zonal intense et localisé. Cet écoulement peut se déstabiliser par une instabilité de cisaillement et générer un écoulement turbulent dans tout le volume.Pour finir, nous considérons la pertinence de ces résultats pour des applications géo-/astrophysiques, telles que l'étude des océans internes sous la surface de glace des satellites joviens Ganymède, Encelade et Europe
Modélisation numérique de la dynamique et de l'évolution thermique d'une goutte métallique en chute libre dans un milieu visqueux by Baraa Qaddah( )

1 edition published in 2020 in French and held by 1 WorldCat member library worldwide

During the last stages of planetary accretion, impacts between differentiated protoplanets have considerably influenced the thermochemical conditions of future telluric planets. The result of these impacts is a two-phase flow. After each impact and the formation of a magma ocean, the metallic phase of the impactor underwent strong deformation and fragmentation processes before reaching the bottom of the magma ocean. The challenges of this thesis are to determine the role of the viscosity ratio between the two phases and the initial drop size on the dynamics, fragmentation and thermochemical evolution of the metallic drop. To do so, we develop numerical models using the Comsol Multiphysics software. We determine the fragmentation modes as a function of Reynolds and Weber numbers and viscosity ratio. We then compare the fragmentation time and distance with previous studies and propose scaling laws of the maximum stable radius of the drop and critical Weber as a function of magma ocean viscosity and viscosity ratio, respectively. Then we estimate the potential thermo-chemical exchanges between the drop and the magma ocean by applying a geophysical model depending on our numerical results. Finally, we study the thermal evolution of a drop in a magmatic ocean and the influence of a temperature-dependent viscosity on the dynamics. We propose time scale and length laws of thermal equilibrium and Nusselt number as a function of the Peclet number
Exchange processes occurring in the deep icy layers of water-rich bodies (ice satellites) : an experimental approach by similitude analysis and numerical modeling by Rawad Himo( )

1 edition published in 2021 in English and held by 1 WorldCat member library worldwide

Sur des grandes lunes glacées telles que Titan et Ganymède, des manteaux de glace à haute pression peuvent se former au fond de l'océan. La convection géodynamique dans ces manteaux pourrait transporter diverses molécules vers l'océan au-dessus, améliorant ainsi son habitabilité potentielle. L'objectif de cette thèse est de modéliser de tels processus d'échange en utilisant deux approches principales. Premièrement, au moyen d'expériences par similitude d'échelle et deuxièmement, en utilisant la modélisation numérique. Expérimentalement, la glace à haute pression est remplacée par un autre matériau respectant la similitude d'échelle. Les vitesses de convection sont mesurés avec la PIV et elles sont ensuite extrapolées aux échelles planétaires. Ces résultats sont alors comparés à un modèle numérique sur des manteaux de glace à haute pression. Le modèle numérique est développé dans cette thèse en se basant principalement sur une approche biphasique poreuse. Les résultats montrent une bonne cohérence entre les deux approches. De plus, le transport de molécules complexes est pris en compte dans le cas de la formation d'hydrate de clathrate, qui pourrait plus rapidement transporter des molécules lourdes vers l'océan. Enfin, le modèle intérieur des hydrosphères est affiné. Celui-ci considère les épaisseurs d'équilibre induites par la convection des couches de glace externes en incluant également une fine couche poreuse fragile, comme sur Europe
Transferts anisotropes d'énergie en turbulence en rotation et excitation de modes d'inertie by Cyril Lamriben( )

1 edition published in 2012 in French and held by 1 WorldCat member library worldwide

We investigate the effect of a backgroung rotation on the decay of a turbulent flow in a confined geometry. Turbulence is generated by rapidly towing a grid in a parallelepipedic water tank. The velocity fields of a large number of independent decays are measured in a vertical plane parallel to the rotation axis using a corotating Particle Image Velocimetry system. We first show that a significant amount of the kinetic energy is stored in a reproducible flow composed of resonant inertial modes. The possible coupling between these modes and turbulence suggests that turbulence cannot be considered as freely decaying in this configuration. We demonstrate however that these inertial modes may be reduced by changing the geometrical features of the grid. Thanks to this new configuration, anisotropic energy transfers in freely decaying turbulence in a rotating frame can be characterized experimentally in the physical space. The anisotropic energy flux density is determined from large data sets of Particle Image Velocimetry measurements. We show that in the presence of a background rotation, the energy distribution reflects a trend towards a 2D flow. This anisotropy is proved to be essentially driven by a nearly radial, but orientation-dependent, energy flux density. We also analyze the flow in a cubic container submitted to a longitudinal libration in order to generate inertial modes that were originally observed when the "simple" grid was used. By comparing the measured flow fields to the expected inviscid inertial modes, we show that only a subset of inertial modes, matching the symmetries of the forcing, may be excited by the libration. We characterize in particular the resonance of the mode of lowest order compatible with the symmetries of the forcing, and discuss the role of the viscosity
Internal wave attractors : from geometrical focusing to non-linear energy cascade and mixing by Christophe Brouzet( )

1 edition published in 2016 in English and held by 1 WorldCat member library worldwide

A question of paramount importance in the dynamics of oceans is related to the energy cascade from large to small scales and its contribution to mixing. Internal wave attractors may be one of the possible mechanisms responsible for such a cascade. In this manuscript, we study experimentally internal wave attractors in a trapezoidal test tank filled with linearly stratified fluid. In such a geometry, the waves can form closed loops called attractors. We show that the attractor formation is purely linear: small scales are thus created by wave focusing. The attractor characteristics are found to only depend on the trapezoidal geometry of the tank. At the ocean scale, we show that attractors are very likely to be unstable. Indeed, internal wave attractors are prone to a triadic resonance instability, which transfers energy from the attractor to a pair of secondary waves. This instability and its main characteristics are described as a function of the geometry of the basin. For long-term experiments, the instability produces several pairs of secondary waves, creating a cascade of triadic interactions and transferring energy from large-scale monochromatic input to multi-scale internal-wave motion. We reveal, for the first time, experimental convincing signatures of internal wave turbulence. Beyond this cascade, we have a mixing regime, which appears to be independent of the trapezoidal geometry and, thus, universal. This manuscript is completed by a study on added mass and wave damping coefficient of bodies oscillating horizontally in a stratified fluid, with applications to tidal conversion
L'instabilité elliptique dans les enveloppes fluides des planètes et des étoiles by David Cebron( )

1 edition published in 2011 in French and held by 1 WorldCat member library worldwide

L'instabilité elliptique peut apparaître dès qu'un écoulement présente des lignes de courant elliptiques, ce qui en fait une instabilité générique des fluides tournants. Si sa pertinence en aéronautique ne laisse plus de doute, sa prise en compte dans l'étude des écoulements géo- et astrophysiques pose de nombreuses questions qui constituent la motivation principale de ce travail théorique, numérique et expérimental. Après une introduction aux écoulements tournants, le chapitre 1 présente les trois forçages mécaniques présents aux échelles planétaires qui seront considérés dans ce travail : les marées, la précession et la libration. Un état de l'art sur les écoulements et les instabilités associés à ces forçages est alors décrit, formant le cadre de cette étude. Le chapitre 2 présente les premières simulations numériques de l'instabilité elliptique en géométrie ellipsoïdale. Ces simulations nous permettent de quantifier l'influence de différentes complexités géophysiques et d'obtenir des lois d'échelles caractérisant l'instabilité. L'interaction de l'instabilité elliptique avec les deux autres forçages mécaniques est ensuite considérée. La section 2.4 montre que la présence simultanée de marées et de libration est susceptible d'exciter une instabilité elliptique au sein des astres synchronisés. La section 2.5 développe et valide une théorie analytique sur l'interaction des marées et de la précession. Enfin, la section 2.6 démontre que l'instabilité elliptique peut se développer à partir d'écoulements convectifs ou stratifiés. Le chapitre 3 s'intéresse à la magnétohydrodynamique (MHD) de l'instabilité elliptique. De nouveaux résultats sur l'aspect inductif de l'instabilité sont obtenus et validés numériquement. La génération d'un effet dynamo associé à l'instabilité elliptique est également abordé. Une partie expérimentale liée à ce travail est ensuite décrite, basée sur un dispositif MHD. Après une étude de la dynamique non-linéaire de l'instabilité sous champ, le dispositif est modifié afin de mettre en place une dynamo synthétique. L'amplitude du champ magnétique imposé pouvant être assez assez grande pour restabiliser l'écoulement, ce dispositif permet d'étudier la saturation par l'écoulement d'une telle dynamo. Des premiers résultats en ce sens sont présentés. Le chapitre 4 utilise les résultats obtenus pour étudier la présence de l'instabilité elliptique au sein de planètes, lunes et étoiles connues. Le cas particulier de la Lune est d'abord considéré et un scénario, basé sur l'instabilité elliptique, est proposé puis évalué pour expliquer la dynamo lunaire primitive. Les astres telluriques sont ensuite considérés dans un cadre plus général, et une étude de stabilité adaptée à ce contexte montre que l'instabilité est possible sur la Terre primitive, Europe et trois exoplanètes (55CnCe, CoRoT-7b et GJ1214b). Enfin, la possible existence de l'instabilité au sein de certains systèmes extra-solaires à Jupiter chauds est considérée, montrant sa pertinence pour certains d'entre eux tel que celui de Tau-boo
On wave-mean flow interactions in stratified fluid by Antoine Renaud( )

1 edition published in 2018 in English and held by 1 WorldCat member library worldwide

The dynamics of planetary-scale geophysical flows is strongly influenced by physicalprocesses, mostly unresolved by general circulation numerical models. To parametrisethe coupling between small and large scales, it is essential to understand the underlying physical mechanisms. In this thesis, we study an emblematic problem of interactions between waves and mean flows: the dynamics of zonal flows forced by internal gravity waves. A striking manifestation of these interactions is the quasi-biennial oscillation (QBO) of equatorial winds in the Earth's atmosphere. First, we describe a transition to chaos in a classical quasilinear model of the QBO and show that these bifurcations persist in direct numerical simulations. Based on these results, we suggest an interpretation for the observation of the unexpected periodicity disruption of the QBO in 2016. The mechanism by which mean flows are generated by waves in stratified fluids requires the consideration of dissipative effects. This phenomenon is analogous to acoustic "streaming". In a second time, we exploit this analogy to study the generation of mean flows by internal gravity waves close to a wall, using multi-scale asymptotic approaches. Finally, we propose an inertial approach to describe the spontaneous emergence of vortical flows in the presence of waves: we apply the tools of statistical mechanics to calculate the partition of energy between small and large scales in the shallow-water model
Régimes asymptotiques des écoulements en rotation excités par forçage mécanique dans les noyaux planétaires : saturation turbulente et organisation à grande échelle by Thomas Le Reun( )

1 edition published in 2019 in English and held by 1 WorldCat member library worldwide

Cette thèse explore les écoulements turbulents induits par les effets de marées dans les noyaux planétaires. Plus particulièrement, nous nous intéressons à la saturation des instabilités elliptiques dues à l'effet conjoint de la rotation planétaire et de la déformation de marée. De telles instabilités se produisent notamment lorsque la rotation de la déformation diffère de la rotation planétaire, conduisant à la croissance exponentielle d'ondes inertielles. De telles résonances sont également excitées lorsque les interactions de marées produisent des variations de la vitesse de rotation planétaires appelées "libration". Dans un premier temps, la saturation de l'instabilité elliptique est étudiée expérimentalement en forçant la libration d'un ellipsoïde rempli d'eau. Nous mettons en évidence deux régimes de saturation : aux faibles amplitudes de libration, l'écoulement saturé se constitue d'ondes inertielles en interactions triadiques résonnantes, un état appelé "turbulence d'ondes". À plus forte amplitude, la saturation est dominée par un écoulement moyen géostrophique fort. Par une étude numérique et théorique, cette transition est attribuée à une instabilité affectant les ondes inertielles d'amplitude finie. La saturation de l'instabilité elliptique est également étudiée numériquement à l'aide d'un modèle local cartésien. Celui-ci permet de retrouver les deux régimes de saturation observés expérimentalement, d'en étudier finement les propriétés et d'en explorer le comportement dans la limite géophysique. Enfin, une dernière étude est consacrée à l'instabilité elliptique dans les milieux stratifiés
Formes et dynamiques des tourbillons en écoulement stratifié tournant by Oriane Aubert( )

1 edition published in 2013 in French and held by 1 WorldCat member library worldwide

L'océan et l'atmosphère sont des environnements fluides stratifiés en densité, en référentiel tournant : la force de Coriolis due à la rotation de la planète influence l'écoulement. De grands tourbillons lenticulaires évoluent dans ces environnements, avec parfois de grandes durées de vie comme les Meddies de l'Océan Atlantique.Dans la continuité des expériences de Griffiths & Linden (1981) et Hedstrom & Armi (1988), ces tourbillons sont reproduits en laboratoire en injectant ou aspirant localement du fluide dans une couche d'eau salée tournante, linéairement stratifiée en densité. A l'ordre dominant, les tourbillons sont à l'équilibre cyclo-géostrophique et hydrostatique, d'où l'on dérive la loi de leur rapport d'aspect, validée par les expériences et les observations. Un modèle complet de tourbillon à l'équilibre incluant les recirculations internes est proposé, en partant d'un profil Gaussien pour la vitesse azimutale, puis validé numériquement. A partir de ce modèle, un bilan d'énergie permet alors de décrire la décroissance des tourbillons.Certains tourbillons naturels comme les Meddies présentent des structures fines associées à de forts gradients de densité à leur frontière, que l'on reproduit en laboratoire autour de tourbillons entretenus par une injection continue de fluide. Ces structures en couches sont la manifestation de l'instabilité de McIntyre, instabilité qui apparaît lorsque les diffusivités visqueuse et moléculaire sont sensiblement différentes. L'analyse de stabilité linéaire de McIntyre appliquée au modèle Gaussien de tourbillon permet de retrouver les tailles et temps d'apparition associés au couches qui entourent les Meddies
Étude de la fragmentation de métal liquide en chute libre dans un environnement visqueux : application à la formation des planètes by Jean-Baptiste Wacheul( )

1 edition published in 2019 in French and held by 1 WorldCat member library worldwide

The accretion of terrestrial planets like Earth proceeds partly by impacts of proto-planets already differentiated in a silicate mantle and an iron core. Those impacts result in a two phase flow where the two main components of the planets partially mix for the last time. In order to study the conditions of diffusive transfer of heat and elements during this flow, we have performed experiments using an analog system of fluids. A gallium alloy is used to represent the molten iron core and a viscous fluid is used to represent the molten silicatemantle. Video recordings of the fall of liquid metal spheroids through the viscous fluid areanalyzed as a way to study the dynamics of the post impact flow. Measurements of the temperature of the liquid metal before and after its fall are performed in order to probe the conditions of the diffusive transfer between the two phases integrated along the fall.The diapir is found to dilute by entraining ambient fluid during its fall in a manner thatis well described by the entrainment hypothesis. The fragmentation of the liquid metal is quantified in terms of the break up distance, the mean radius of the droplets as a function of the spheroid's initial radius andthe distribution of sizes of the droplets. The mean radius of the droplets is marked by the large scale falling speed which we interpret as a sign of a continuous break up process. The distribution of sizes is given by a Bessel function. The data on the dynamics, on the fragmentation and on the temperature are then used to test the existing thermal equilibration models between the two phases
Forçage électromagnétique dans les métaux liquides by Michaël Pereira( )

1 edition published in 2018 in French and held by 1 WorldCat member library worldwide

Dans ce manuscrit, nous abordons une étude expérimentale de magnétohydrodynamique, traitant plus particulièrement du forçage électromagnétique dans les métaux liquides. L'entraînement d'un fluide conducteur de l'électricité par un champ magnétique se traduit par une conversion d'énergie électromagnétique en énergie cinétique, via le travail de la force de Laplace. La motivation de cette thèse est donc d'examiner comment un champ électromagnétique engendre un écoulement, d'étudier les différentes façons d'assurer un tel transfert d'énergie, ou encore de caractériser les facteurs limitant l'efficacité de ce transfert. Cette thèse présente deux expériences de laboratoire permettant d'étudier deux types de forçage différents : d'une part, l'entraînement d'un fluide par induction à partir d'un champ magnétique variable (analogue au moteur asynchrone), d'autre part un entraînement résultant de la combinaison d'un champ magnétique stationnaire et uniforme et d'un courant électrique constant (analogue au moteur à courant continu). Dans une première partie, une loi prédictive est obtenue pour l'évolution d'un fluide soumis à un champ glissant dans le régime turbulent. On montre que cet entraînement est limité par la turbulence, mais aussi par des mécanismes originaux comme une expulsion de flux magnétique, ou un transfert de l'énergie vers des harmoniques. Cette limitation de l'entrainement se traduit par une borne sur le rendement de cette conversion d'énergie, qui ne peut excéder 50%. Dans une seconde partie, le fluide est soumis à deux champs magnétiques glissants dans des directions opposées, engendrant ainsi un écoulement de cisaillement. Les fluctuations turbulentes brisent alors la symétrie du problème et donnent à la couche de cisaillement un comportement chaotique, révélant notamment un spectre de puissance en 1/f du champ de vitesse à basse fréquence. Cette accumulation d'énergie aux basses fréquences est associée à des renversements chaotiques des structures cohérentes. L'apparition de ce bruit en 1/f est contrôlée par la symétrie du forçage et le taux de turbulence au sein de l'écoulement. Enfin, dans une dernière expérience, une couche mince de métal liquide est forcée par conduction, permettant d'observer pour la première fois en laboratoire un écoulement MHD turbulent de type Képlérien. On observe ainsi que le champ magnétique joue un rôle de laminarisation de l'écoulement et que la transition vers le régime turbulent se fait de manière continue. Ces travaux montrent ainsi qu'il est possible d'isoler plusieurs mécanismes limitant l'entraînement des métaux liquides forcés éléctromagnétiquement et de comprendre plus généralement la dynamique complexe des écoulements MHD
On the interaction between turbulence and stratification : penetrative convection, internal gravity waves and large-scale flow generation : geophysical and astrophysical applications by Pierre Léard( )

1 edition published in 2020 in English and held by 1 WorldCat member library worldwide

L'étude du couplage entre une couche turbulente et une couche stratifiée a un intérêt particulier pour les écoulements géophysiques et astrophysiques, par exemple pour l'atmosphère, les océans et le cœur de notre planète, mais aussi pour les étoiles. L'interaction entre ces deux couches est trop souvent négligée car les échelles de temps et de longueur qui les caractérisent sont très différentes. Pourtant, les mouvements de la couche convective brassent le fluide au niveau de l'interface, provoquant un mélange continu des espèces en présence. De plus, l'agitation créée par ces mouvements génère des ondes internes de gravité. Ces ondes redistribuent une partie de l'énergie de la couche turbulente dans la couche stratifiée, dans laquelle elles se propagent. En outre, ces ondes peuvent aussi transporter température et espèces chimiques. Elles ont donc une grande influence sur la dynamique globale du système. Il paraît naturel de chercher à approfondir notre compréhension des différents phénomènes régissant l'interaction entre couches stratifiée et turbulente, dans le but d'améliorer les modèles numériques prédisant l'évolution des étoiles ou de notre atmosphère. Nous étudions cette interaction par des expériences, des études numériques et de la modélisation théorique
Formation d'ondes topographiques par transfert de masse et diffusion dans un écoulement turbulent : analyse d'exemples naturels terrestres et planétaires et modélisations by Maï Bordiec( )

1 edition published in 2020 in French and held by 1 WorldCat member library worldwide

Les interactions entre les écoulements fluides et les substrats solides soumis à des transferts de masse (glace en sublimation ou condensation et roches en dissolution ou précipitation) façonnent des formes qui parfois s'organisent spatialement. Parmi ces formes que nous nommons « bedforms solides », existe une catégorie spécifique, les « ondulations linéaires transverses », auxquelles ce travail est consacré. L'analyse d'exemples naturels terrestres et planétaires, autorise la caractérisation morphologique de ces « ondulations linéaires transverses » et permet de contraindre les conditions environnementales des milieux dans lesquels elles apparaissent. Leur formation, qui résulte d'une rétroaction positive entre l'écoulement et la topographie, est modélisée. L'étude de cette instabilité passe par l'analyse de stabilité linéaire du modèle et met en évidence un mode préférentiel de croissance des ondulations. Les relations entre les caractéristiques géométriques et cinématiques (longueur d'onde, vitesse de migration des crêtes et temps de formation) des ondulations et les caractéristiques de l'environnement (viscosité du fluide, vitesse, taux d'ablation) sont développées sous la forme de trois lois d'échelle. Ces lois, sur lesquelles les données des exemples naturels étudiés se superposent, font de ces ondulations des marqueurs géomorphologiques adaptés à des prédictions diverses, autant en glaciologie, en géomorphologie, en karstologie, qu'en planétologie
Convection thermo-solutale dans les océans de magma by Thibaut Clarté( )

1 edition published in 2021 in English and held by 1 WorldCat member library worldwide

Cette thèse se consacre à l'étude de la convection thermo-solutale dans les océans de magma terrestres. On entend par ceux-ci une coquille sphérique de silicates liquides, analogue du manteau fondu des planètes telluriques. La Terre, à la fin de sa période d'accrétion est sensée avoir accueilli une telle structure suite, par exemple, à un impact géant permettant la formation de la Lune.Les modèles consacrés à cet objet sont jusqu'à présent demeurés relativement simples. Ils postulent le bon méalnge de l'océan du fait d'une convection thermique intense en son sein. Il se trouve que la cristallisation fractionnée basale d'un océan de magma pourrait conduire à nuancer une telle affirmation. Ce travail prétend proposer une contribution plus détaillée, via une approche hydrodynamique assistée de l'outil numérique.Nous nous intéressons d'abord à l'influence sur la convection thermique en rotation, d'une condition aux limites particulière dite de Robin. Intermédiaire entre une condition de Neumann et de Dirichlet, cette dernière permet sous certaines conditions de modéliser un équilibre radiatif entre atmosphère et surface de l'océan. Nous montrons alors, dans un cadre purement thermique, que cette condition limite ne joue que peu de rôle dans un contexte rotatif (hormis du point de vue de la structure d'écoulement). Plus généralement, nous donnons la gamme de paramètres permettant de remplacer cette condition aux limites par d'autres, plus usuelles.Dans un second temps, nous proposons une étude de la convection thermo-solutale dans un océan de magma non rotatif, cristallisant de la base vers le sommet. Nous énumérons les différents régimes de transport en vigueur dans le système en fonction des paramètres d'entrée et discutons de la durabilité d'une couche basale stablement stratifiée. Nous montrons, notamment, qu'un océan de magma terrestre surplombé par une atmopshère épaisse pourrait être incapable d'éroder une couche stratifiée basale pré-existante
Etude expérimentale de l'instabilité de précession dans un sphéroïde by Clément Nobili( )

1 edition published in 2019 in French and held by 1 WorldCat member library worldwide

La nature de l'écoulement dans le noyau externe liquide de la Terre et d'autres planètes telluriques intéresse les géophysiciens depuis des siècles. Il joue un rôle important dans les échanges entre le noyau et le manteau et il est aussi à l'origine du champ magnétique. Le mouvement de précession de la Terre, documenté depuis Hipparque au II ème siècle avant J-C applique des forces susceptibles d'entraîner des écoulements de structures complexes dans le noyau externe. Des mesures expérimentales sont conduites dans le cas modèle d'un sphéroïde en précession. L'écoulement est visualisé à l'aide de particules plates réfléchissantes, permettant une étude pour une large gamme de paramètres. L'écoulement est ensuite déterminé précisément par des mesures PIV. Deux solutions de rotation solide très inclinées conformes à la théorie de Busse (1968) font apparaître deux transitions vers des écoulements turbulents lorsque le nombre d'Ekman diminue. Toutes deux laissent apparaître des instabilités où des modes inertiels sont couplés par résonance triadique. La première instabilité est similaire à celle décrite dans la sphère en précession et appelée Conical Shear Instability par Lin et al. (2015). La seconde instabilité présente les caractéristiques de la CSI avec des modes inertiels de faibles nombres d'ondes azimutaux, mais aussi les caractéristiques de l'instabilité elliptique (Lacaze 2004). Enfin, une troisième zone d'instabilité est observée et mesurée dans le cas d'une précession prograde autour d'une fréquence de précession caractéristique
 
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Fluid mechanics of planets and stars
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Michael Le Bars wetenschapper

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