UPThèses

Les interactions fluide-structure (IFS) sont aujourd’hui des phénomènes fortement étudiés, car elles interviennent dans un grand nombre d’applications. Dans les domaines maritime et fluvial, les dispositifs de récupération d’énergie, les systèmes de protection des cotes ou des berges ou encore les systèmes de ralentissement des crues sont basés sur ces IFS avec des structures artificielles ou naturelles. Les travaux présentés dans ce manuscrit ont pour objectifs d’évaluer les conséquences de la présence de structures flexibles sur un écoulement turbulent dans différentes configurations. Les éléments flexibles utilisés sont des cylindres circulaires dont les caractéristiques mécaniques sont inspirées des propriétés de structures végétales aquatiques. Lorsque ces structures sont placées dans un écoulement, elles subissent de grandes déformations dont les phénomènes observables sont caractérisés par l’Interaction Fluide-Structure pour laquelle le paramètre majeur est le nombre de Cauchy. Trois études principales composent ces travaux, avec dans un premier temps le cas fondamental d’une structure isolée dans un écoulement, dans un second temps l’étude de pertes de charge causées par un faisceau de structures et pour finir une application sur un dispositif hydraulique d’une canopée de structures flexibles sur le radier d’une passe à poissons à fentes verticales. Chacune de ces études a été menée expérimentalement et a conduit à la création d’un modèle numérique d’une part et d’autre part à l’étude d’une modélisation 1D sur la base des phénomènes mis en jeux. Les expériences menées ont nécessité la mise en place de mesures de hauteurs d’eau par sondes acoustiques, de vitesses tridimensionnelles locales avec sonde ADV (Vélocimètre Acoustique à effet Doppler), de vitesse 2D à deux composantes par méthode PIV (Vélocimétrie par Images de Particules) et des mesures de déformations des structures flexibles par ombroscopie. Les simulations numériques 3D instationnaires LES à surface libre avec IFS par couplage fort ont été réalisées et ont été validées à partir des résultats expérimentaux. Ces résultats de simulation ont permis de compléter les observations expérimentales en offrant des informations complémentaires sur les grandeurs des écoulements et sur les comportements des structures flexibles. De façon générale, pour une structure flexible isolée dans l’écoulement, son comportement dynamique (déplacements longitudinaux et transversaux) et les vitesses de l’écoulement dans son sillage dépendent des caractéristiques des régimes de l’écoulement et de la rigidité de la structure. Les fréquences du lâcher tourbillonnaire dans le sillage de la structure ont notamment été étudiées. Lorsque ces structures sont implantées en faisceaux de différentes densités, leur capacité de flexion réduit la résistance à l’écoulement et donc les pertes de charge par rapport à des structures rigides. Dans le cas où une canopée de structures flexibles est implantée sur le radier d’une passe à poissons, alors l’écoulement est modifié avec une réduction des vitesses et de l’énergie cinétique turbulente dans la canopée et une augmentation de la vitesse au-dessus. Le comportement hydraulique est modifié avec une baisse des coefficients de débits et des topologies très instationnaires dans les bassins.

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 turbulent au sein des passes à fentes verticales est nécessaire afin d'améliorer ces dispositifs de franchissement contenant des barrières physiques aux mouvements migratoires des poissons. En effet, les études menées sur les passes existantes ont montré leurs limites pour permettre le franchissement des petites espèces de poissons avec des faibles capacités de nage. L'objectif de notre étude est d'adapter l'écoulement turbulent dans la passe aux capacités de nage des poissons. Des mesures de vitesse bidimensionnelle par Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV) et les mesures de vitesse tridimensionnelle par Vélocimétrie Acoustique par effet Doppler (ADV) ont montré que les grandeurs cinématiques de l'écoulement au sein des passes existantes sont très importantes et donc affectent les capacités de nages des petites espèces de poissons. Une des stratégies pour répondre à ce problème est d'introduire des obstacles de forme cylindrique au sein des bassins de la passe à poissons. L'insertion de ces cylindres a pour objectif de réduire les quantités cinématiques de l'écoulement turbulent au sein de la passe afin d'adapter cet ouvrage au passage des petites espèces de poissons. Cette stratégie nécessite une méthode d'optimisation afin de trouver l'emplacement idéal des cylindres à partir de simulations numériques de l'écoulement (logiciel Star-CD).