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La formation des vagues par le vent est encore mal comprise. Il est bien connu qu’un vent plus fort crée de plus grandes vagues, mais les prémisses de la création des toutes premières vagues restent un mystère. Le but du projet ViscousWindWaves est d’élucider les mécaniques de formation des vagues, avec des impacts potentiels dans l’industrie et le génie côtier.

Plusieurs études scientifiques se sont déjà penchées sur le rôle du vent dans la création des vagues, principalement dans l’augmentation de leur hauteur. Cependant, le mécanisme précis de leur formation reste encore peu compris et peu étudié. Afin de comprendre plus finement ce phénomène, Marc Rabaud, enseignant-chercheur émérite à l’Université Paris-Saclay au laboratoire Fluides, automatique et systèmes thermiques¹, mène le projet ViscousWindWaves. Ces recherches bénéficient du soutien de l’Agence nationale de la recherche, dont l’objectif est de soutenir l’excellence de la recherche et l’innovation française sur le plan national, européen et international.

L’un des obstacles à cette compréhension est notamment que l’eau est un fluide très peu visqueux. « Comme l’eau est peu visqueuse, les vagues mettent beaucoup de temps à s’atténuer. Cela pose problème lorsqu’il s’agit de comprendre l’origine des vagues : est-ce une nouvelle vague, ou bien existait-elle déjà ? » détaille Marc Rabaud. Afin de contrer cet effet, une équipe du FAST a étudié la formation des vagues sur des liquides plus visqueux, principalement des huiles de silicone, jusqu’à 5000 fois plus visqueuses que l’eau. Dans ce contexte, ils ont observé les premières déformations de la surface de l’eau, et ont reconstitué les mouvements d’eau grâce à des méthodes optiques de très grande précision.

Dans ce cadre d’étude, ces chercheurs ont pu montrer que le moindre souffle de vent déforme déjà la surface des liquides, qui devient légèrement rugueuse à l’échelle du micromètre. L’écoulement de l’air étant freiné par la proximité du liquide, il présente des turbulences à l’origine de ces déformations de la surface. Ces déformations peuvent à leur tour modifier localement l’écoulement de l’air. Ces deux effets s’alimentent l’un l’autre, et décortiquer cette boucle a permis de grandes avancées dans la compréhension du seuil d’apparition des vagues, c’est-à-dire l’intensité du vent à partir de laquelle les vagues se forment.

Marc Rabaud et son équipe ont également pu mettre en évidence un autre phénomène : la création de « solitons visqueux ». Il s’agit d’une vague unique créée par le vent, qui n’apparaît que dans des liquides très visqueux. L’équipe a caractérisé avec soin ces vagues spéciales : vitesse, dynamique, comportement, en faisant varier la viscosité du liquide. Les scientifiques ont ainsi pu établir un modèle d’émergence de ces vagues particulières, dépendant de la viscosité, et qui intègre un seuil de vitesse du vent à partir de laquelle les solitons se forment. Ces analyses ont été complétées par des modélisations numériques de la turbulence liée au vent sur l’eau, réalisées à l'Institut de mécanique des fluides de Toulouse (IMFT) ainsi que des mesures expérimentales grâce à leur soufflerie accélérant l’air jusqu’à 40 mètres par seconde.

Ces études sur la compréhension des vagues et des solitons pourraient avoir des applications multiples. Les solitons sont un phénomène récurrent dans le transport de liquides visqueux en pipeline, comme le pétrole par exemple, et une meilleure compréhension des vagues et de leur seuil d’apparition pourrait également avoir un impact en génie côtier.

1 FAST (CNRS/Université Paris-Saclay)