UPThèses

Ce travail de recherche présente une étude expérimentale de l’influence d’un écoulement tourbillonnaire sur un lit sédimentaire. Les expériences se déroulent dans un canal hydro-sédimentaire à surface libre, à l’Institut P’. Deux dispositifs permettant de générer des tourbillons isolés, d’axe vertical ou horizontal, ont été conçus lors de cette thèse. Ce travail se concentre sur le premier de ces montages : une étude paramétrique par mesures optiques (PIV, PIV stéréoscopique) est menée, notamment avec deux conditions de rugosité de paroi. Des lois de comportements sont ainsi établies. La caractérisation des écoulements tourbillonnaires révèle une forte tridimensionnalité, de même que la présence de structures turbulentes particulières, liées aux phénomènes de transport sédimentaire. Un second axe d’étude s’attache à la description de la mise en suspension de sédiments par un tourbillon d’axe vertical. Les structures turbulentes liées au transport sont étudiées, ainsi que le comportement du panache de sédiments. La reconstruction du lit sédimentaire sur un temps long, par l’utilisation d’une méthode de stéréo-corrélation, met en avant les régions d’affouillement et d’accrétion induites par le passage d’un seul tourbillon isolé. Enfin, une étude numérique basée sur OpenFOAM est proposée. La méthodologie exposée reproduit bien les comportements du fluide et des sédiments : la validation de cet outil permettrait d’aborder de nouveaux paramètres d’étude par la connaissance précise des quantités de sédiments mobilisés.

L'objectif de cette thèse est de caractériser l'influence de la présence d'obstacles dans les passes à poissons à fentes verticales. Deux types d'éléments sont couramment insérés, à l'heure actuelle, dans les passes : les seuils et les macro-rugosités. Dans un premier temps, l'effet de ces deux dispositifs à la fois sur l'écoulement et sur le comportement des poissons est étudié. Dans le but de favoriser le passage des petites espèces à travers le dispositif de franchissement, une solution technique est ensuite proposée, sous la forme de plusieurs rangées de cylindres flexibles placées en sortie de fente. La caractérisation du comportement hydraulique d'une passe à poissons équipée de ces obstacles est effectuée par des mesures expérimentales de niveau d'eau à l'aide de sondes acoustiques et des mesures de vitesses tridimensionnelles avec un vélocimètre acoustique à effet Doppler (ADV). La base de données générée par ces mesures est ensuite utilisée pour définir une loi de dimensionnement, qui prend en compte les paramètres influençant le fonctionnement hydraulique de l'ouvrage en vue d'améliorer sa conception. Les simulations numériques 3D instationnaires URANS et LES de l'écoulement permettent une analyse volumique fine des grandeurs caractéristiques de la turbulence qui règne dans les bassins en fonction du type d'obstacle inséré. En obstruant une partie de la fente, la présence d'un seuil accentue la tridimensionnalité de l'écoulement tandis que les macro-rugosités créent une zone de plus faible vitesses et des abris utilisables par les espèces de fonds. L'insertion des structures souples permet une meilleure dissipation de l'énergie du jet et réduit l'énergie cinétique turbulente dans une partie du volume des bassins. Les manipulations réalisées avec différentes espèces de poissons, permettent de mieux comprendre l'effet de la modification des grandeurs cinématiques de l'écoulement, par l'insertion d'obstacles, sur le comportement des poissons pour pouvoir adapter les passes à poissons existantes aux espèces dotées de faibles capacités de nage.

L'étude de l'écoulement à l'aval d'une ride a un intérêt primordial dans la dynamique et l'évolution des rivières, des milieux côtiers ou des estuaires. Une des questions au coeur de ces écoulements est liée aux mécanismes d'interaction entre les particules et l'écoulement. Cette interaction donne souvent lieu à la formation de structures ondulées (rides ou dunes). Ce couplage est engendré au niveau de l'écoulement moyen, de la forme de la dune mais aussi au niveau de la macro turbulence et des structures tourbillonnaires instationnaires générées par la présence même des formes sédimentaires. L'identification des différents mécanismes et processus hydrodynamiques générés par la présence de dunes ou rides est exposée en détail par l'examen de l'écoulement laminaire à l'aval d'une ride fixe et isolée. Des techniques de mesure optiques 2D (PIV, visualisations) et 3D (Stéréo-PIV, tomographie laser) couplées à une étude numérique avec un code industriel, permettent de mettre en évidence l'instationarité, la tridimensionnalité de l'écoulement ainsi que la dynamique tourbillonnaire de la zone de recirculation à l'aval de la ride. L'impact de l'écoulement turbulent sur la naissance de dunes isolées est analysé au moyen d'une étude détaillée sur le transport de particules à partir d'essais menés en canal hydro-sédimentaire. Le rôle particulier de la zone de recirculation à l'aval de la dune est mis en évidence à l'aide d'un suivi spatio-temporel du transport des particules entre sa crête et sa face d'avalanche. Finalement, l'analyse et l'influence des conditions hydrauliques sur le seuil critique de mise en mouvement d'un lit de particules ainsi que la formation et la migration d

Le développement de techniques de mesure optiques de surfaces libres permettant la mesure des ondes générées par un modèle de navire en bassin des carènes est proposé dans ce mémoire. Trois méthodes, toutes basées sur un système de prises de vues stéréoscopiques, sont présentées. La première repose sur l'emploi de procédures d'inter-corrélation des images des caméras composant le système de stéréovision. La seconde s'appuie sur la théorie de la réfraction de la lumière au travers de l'interface air/eau. La troisième méthode est basée sur l'identification des projections de faisceaux laser sur la surface libre vue par un système stéréoscopique. Ces méthodes sont appliquées à la mesure du champ de vague autour d'un modèle de navire tracté dans le bassin des carène de l'Institut Pprime et dans un bassin des carènes de grande taille (B600 de la DGA Techniques hydrodynamique) et permettent la reconstruction et l'analyse du sillage. Les principales caractéristiques des champs de vagues et leurs dépendances au nombre de Froude sont étudiées en détail. Afin de compléter l'étude de l'écoulement généré par le modèle de navire, des mesures de PIV stéréoscopique autour de la carène, des mesures spécifiques de la vague d'étrave et des simulations numériques sont réalisées. L'ensemble de ces données permettent l'analyse de champs de vitesse tridimensionnelle proche de la coque et l'identification du lien des caractéristiques du champ de vague de l'étrave jusqu'au champ lointain.