Trochoidal wave (original) (raw)
En dynamique des fluides, la houle trochoïdale est une solution exacte des équations d'Euler. Découverte en 1802 par le baron von Gerstner, elle décrit les ondes de gravité de forme périodique qui se propagent à la surface d'un fluide incompressible de profondeur infinie, en régime permanent. La surface libre de l'écoulement est une cycloïde (ou trochoïde, pour reprendre le terme de Gerstner).
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| dbo:abstract | En dynamique des fluides, la houle trochoïdale est une solution exacte des équations d'Euler. Découverte en 1802 par le baron von Gerstner, elle décrit les ondes de gravité de forme périodique qui se propagent à la surface d'un fluide incompressible de profondeur infinie, en régime permanent. La surface libre de l'écoulement est une cycloïde (ou trochoïde, pour reprendre le terme de Gerstner). C’est un exemple classique d'écoulement tourbillonnaire, et d'utilisation des coordonnées lagrangiennes. Le tourbillon est l’enveloppe des trajectoires des particules de fluide, qui ici sont des cercles dont le rayon varie avec la profondeur. Cette hypothèse n’est pas conforme aux observations expérimentales qui se manifestent par la dérive de Stokes. D’autre part, la vitesse de phase est, dans ce modèle, indépendante de l’amplitude de la houle, anomalie qui a motivé l'étude théorique d'ondes non-linéaires ensuite (telles l’onde de Stokes et l’onde cnoïdale). Pour ces raisons (et nonobstant le fait que ce modèle simple ne peut être adapté à un écoulement en profondeur finie), la houle trochoïdale ne présente plus aujourd’hui qu'un intérêt théorique et didactique. Elle est cependant encore utilisée en infographie pour le rendu réaliste de vagues. Le champ est étendu à deux dimensions, en utilisant fréquemment un algorithme de transformée de Fourier rapide pour l’animation (temps réel). (fr) In fluid dynamics, a trochoidal wave or Gerstner wave is an exact solution of the Euler equations for periodic surface gravity waves. It describes a progressive wave of permanent form on the surface of an incompressible fluid of infinite depth. The free surface of this wave solution is an inverted (upside-down) trochoid – with sharper crests and flat troughs. This wave solution was discovered by Gerstner in 1802, and rediscovered independently by Rankine in 1863. The flow field associated with the trochoidal wave is not irrotational: it has vorticity. The vorticity is of such a specific strength and vertical distribution that the trajectories of the fluid parcels are closed circles. This is in contrast with the usual experimental observation of Stokes drift associated with the wave motion. Also the phase speed is independent of the trochoidal wave's amplitude, unlike other nonlinear wave-theories (like those of the Stokes wave and cnoidal wave) and observations. For these reasons – as well as for the fact that solutions for finite fluid depth are lacking – trochoidal waves are of limited use for engineering applications. In computer graphics, the rendering of realistic-looking ocean waves can be done by use of so-called Gerstner waves. This is a multi-component and multi-directional extension of the traditional Gerstner wave, often using fast Fourier transforms to make (real-time) animation feasible. (en) |
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