Dispositif expérimental

L’étude des ondes de gravité nécessite une augmentation significative de la taille de la cuve pour pouvoir accéder aux plus basses fréquences tout en limitant la discrétisation des modes. Pour ce faire, les expériences suivantes ont été réalisées dans la cuve tournante de Coriolis hébergée au LEGI, un bassin circulaire ayant un diamètre de 13𝑚 pour une profondeur d’environ 1𝑚.

III.1.1.1 Ondes de surfaces

Dans le cas de l’expérimentation sur les ondes de surface, le bassin est rempli avec de l’eau filtrée jusqu’à une hauteur de 70𝑐𝑚. La Figure III-1 permet de visualiser un aperçu de la configuration générale.

Figure III-1 : Photo de la disposition instrumentale de la cuve de Coriolis. 2 batteurs permettent de générer un champ de vagues isotrope. Deux types de mesures sont effectués : localement avec des sondes capacitives et spatialement avec une mesure optique utilisant 3 cameras situées au plafond (voir III.1.2)

Le champ de vagues est généré avec deux batteurs ponctuels positionnés en périphérie de la cuve, à environ 1.5𝑚 du bord. Un zoom de leur mécanisme est visible dans la Figure III-2.

Caméras

Sondes capacitives

III.1 - Méthodes expérimentales

83 Figure III-2 : Vue du système de génération de vague. Un coin en PVC d’environ 1𝑚 × 1𝑚 × 1𝑚 est mis en oscillation verticale par la rotation de deux cames. Le moteur est piloté en fréquence avec une modulation aléatoire centrée autour de 1𝐻𝑧. L’amplitude est fixée par l’excentricité des cames qui peut varier entre 1 et 5𝑐𝑚. Ils sont constitués d’un coin flottant de dimension 1𝑚 × 1𝑚 × 1𝑚 et dont l’oscillation est imposée par deux cames motorisées. Celles-ci sont pilotées en fréquence avec une tension qui peut être modulée aléatoirement pour exciter une bande spectrale. Les fréquences typiques de forçage sont de l’ordre de 1𝐻𝑧 avec un écart type d’environ 0.1𝐻𝑧. Cela correspond à une onde linéaire ayant une longueur d’onde proche de 1𝑚 qui est similaire à la dimension typique du coin pour obtenir un forçage efficace. L’amplitude des oscillations est fixée par l’excentricité de la came. Celle-ci varie entre 1𝑐𝑚 et 5𝑐𝑚 pour l’ensemble des expériences.

Trois caméras sont positionnées à 4𝑚 au-dessus de la surface pour effectuer une mesure stéréoscopique à l’aide de particules de polystyrène flottant à la surface de l’eau (Les détails de cette mesure sont expliqués dans la partie suivante (III.1.2)). Comme on peut le voir sur la Figure III-3, les trois caméras sont alignées sur la direction 𝑥 et observent la surface avec trois angles de vue différents.

Figure III-3 : Schéma simplifié du dispositif expérimental. Les trois caméras sont alignées sur l’axe 𝑥 à environ 4𝑚

de la surface. La zone de recouvrement est située sur le centre de la cuve et fait environ 1.5 × 2 𝑚²

pour 1024² 𝑝𝑖𝑥. Caméra 1 Caméra 2 Caméra 3 Batteur 𝑥𝑥 𝑦

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Les deux caméras extrêmes [1] et [2] sont placées avec un angle d’environ 45° par rapport à la verticale tandis que la [3] est normale à la surface. Un objectif de 35mm est placé sur chacune d’entre elles pour couvrir un champ de vision d’environ 1.5 × 2 𝑚² pour 1024² 𝑝𝑖𝑥2. La taille moyenne du pixel est de 𝑝𝑖𝑥 = (𝑝𝑖𝑥𝑥+ 𝑝𝑖𝑥_𝑦)/2 = (2 + 1.5)/2 = 1.8𝑚𝑚. L’ensemble des caméras est synchronisé à une fréquence d’échantillonnage de 20𝐻𝑧. Pour conserver une bonne profondeur de champ, les objectifs des caméras [1] et [2] sont inclinés par rapport au capteur CCD en suivant la loi de Scheimpflug. La surface et les particules sont éclairées par un ensemble de projecteurs placés au niveau des fenêtres situées sur les bords de la cuve. L’illumination se fait alors sous la surface et à faible incidence pour limiter les réflexions qui peuvent perturber la mesure.

En complément de la mesure spatiale, une mesure locale de la hauteur des vagues est réalisée avec deux sondes capacitives. Celles-ci sont situées à environ 3𝑚 du bord et permettent une mesure de haute précision qui pourra ensuite être utilisée pour valider la méthode optique.

III.1.1.2 Nettoyage de la surface libre

Comme vu précédemment (I.2.3), la présence d’un film viscoélastique sur la surface libre provoque une forte dissipation par génération d’ondes de Marangoni. Leurs effet sont maximums aux alentours de 3.5𝐻𝑧, là où les deux relations de dispersion se croisent et permettent un transfert d’énergie par résonance. Dans la mesure où ce point particulier est situé au milieu de la dynamique de mesure envisagée ([0,10]𝐻𝑧), il est très probable que les spectres soient influencés. Les sources de pollutions sur un bassin de cette taille sont nombreuses et difficiles à maitriser. Contrairement aux ondes gravito-capillaires présentées précédemment, un nettoyage approfondi du bassin ne suffit pas à obtenir une surface propre. Un système de filtration est alors mis en place pour permettre un nettoyage de la surface libre. Le principe de fonctionnement est détaillé dans la Figure III-4.

Figure III-4 : Dispositif de filtration de la surface libre. 1) La surface déborde dans un Skimmer puis coule par gravité sous la cuve de Coriolis. 2) L’eau est récupérée dans un bassin qui permet un pré-filtrage par accumulation de la pollution à la surface. 3) La partie inférieure du bassin est envoyée à un filtre à charbon actif pour éliminer les composants organiques. 4) L’eau propre est réinjectée dans la cuve principale.

La filtration est réalisée en plusieurs étapes. La première (1) consiste à faire déborder la surface libre dans un Skimmer de 75𝑐𝑚 de diamètre (cuve cylindrique dont le niveau est quelques millimètres sous la surface). La surface libre à l’intérieur du Skimmer est alors évacuée par gravité dans un bassin

III.1 - Méthodes expérimentales

85 intermédiaire (2) situé sous la cuve de Coriolis. Ce bassin permet un pré-filtrage de l’eau en accumulant la pollution à sa surface. Son volume inférieur, qui est alors plus propre, est pompé et envoyé dans un filtre à charbon actif (3). Celui-ci va filtrer les composants organiques résiduels, responsables de la formation du film. L’eau ainsi filtrée est alors réinjectée en surface de la cuve principale assurant une boucle sans perte. Il est alors possible de filtrer sur de longue période.