Crues débordantes ou écoulements en lit composé

Problématique scientifique

Il s’agit d’étudier la complexité hydrodynamique des crues débordantes, dont les écoulements sont dits en lit composé (compound open-channel flows), constitué d’un lit mineur et de plaines d’inondations contiguës. Depuis 2014, les recherches se focalisent sur l’impact de l’occupation du sol des plaines d’inondation sur les écoulements de crues extrêmes, notamment dans le cadre du projet ANR FlowRes (2015-2018)

Questions scientifiques

• Impact de variations d’occupation du sol des plaines d’inondation  sur la structure de l’écoulement (champ moyen longitudinal et courants secondaires, statistiques turbulentes, et structures cohérentes) en lit mineur et en plaine inondable.
• Caractérisation du seuil d’apparition des structures turbulentes cohérentes quasi-2D à l’interface lit mineur / plaine d’inondation, ces structures quasi-2D ayant un impact fort sur la débitance de la rivière.
• Effet de l’instationnarité de l’écoulement sur les hauteurs d’eau et débitance de la rivière (différence entre montée et descente de crue).

Méthodologie

On s’appuie sur des expériences en canal de laboratoire (photos ci-après), sur un cas de terrain (les inondations sur le Doubs à Besançon), sur de la modélisation 1D, 2D et 3D avec des codes industriels ou de recherche.

Canal large du HHLab en configuration ‘lit composé’ (lit mineur+plaines d’inondation) avec différents types d’occupation du sol des plaines (modèles de prairie – herbe artificielle dense -, d’arbres – cylindres de bois émergés -). Thèse de V. Dupuis (2013-2016)

Exemple de résultat expérimental

Effets de courants transverses sur la couche de cisaillement (définie à partie du profil de vitesse moyenne): demi largeur de couche de cisaillement, δ / 2,  avec δ = 2 (y_0.75–y_0.25).  Les flèches indiquent la direction des courants transverses. D’après Proust and Nikora (2018).

Exemple de résultat numérique

Simulations d’écoulements non-uniformes en lit composé à l’aide du code Open FOAM, avec modèle de turbulence SAS K-Omega SST: (gauche) vorticité à axe vertical; (droite) courants secondaires. Post-doctorat de M. Chatelain (2017-2018)

Projets

Projet ANR FLOWRES (2015-2018). ‘Prédire les écoulements dans les plaines d’inondation dont l’occupation du sol varie, lors de crues extrêmes’.

Partenaires

Français:

INRAE Lyon-Villeurbanne, Institut National des Sciences Appliquées de Lyon, Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse, Laboratoire d’Hydraulique Saint-Venant.

Étrangers:

Instituto Superior Técnico (Lisbonne, Portugual), Université y Agder (Grimstad, Norvège), Université catholique de Louvain-la-Neuve (Belgique), Service Public de Wallonie (Direction des Recherches Hydrauliques, Châtelet, Belgique), Karlsruhe Institut of Technology (Allemagne), École Nationale Polytechnique d’Alger (Algérie), National Institute of Technology of Rourkela (Inde), Aberdeen University (Royaume Uni).

Thèses et post-doctorats

• Janvier 2013 – Juin 2016 : Thèse de Victor Dupuis intitulée : ‘Étude expérimentale d’écoulements en lit majeur avec transition longitudinale de rugosité’. Thèse encadrée par S. Proust, C. Berni, et A. Paquier (directeur de thèse)
• Mars 2017 – août 2018 : Post-doctorat de Marc Chatelain intitulé ‘Simulation 3D LES (Large Eddy Simulation) d’écoulements en plaine d’inondation en présence de macro-rugosités émergées ou faiblement immergées’. Encadrement: S. Proust.
• Octobre 2017 – Septembre 2020 : Thèse de Yassine Kaddi  intitulée : ‘Modélisation 1D par lit (ISM) d’un réseau hydraulique ramifié maillé. Application au contexte opérationnel de la prévision des fortes crues et des crues de dimensionnement d’ouvrages’. Encadrement: FX Cierco (CNR), JB Faure (Irstea), S. Proust (directeur de thèse).

Publications

• DUPUIS, V. – 2016. Experimental investigation of flows subjected to a longitudinal transition in hydraulic roughness in single and compound channels. Thèse de doctorat, spécialité : Mécanique des fluides, Université Lyon I Claude Bernard. 141 p.
• DUPUIS, V., PROUST, S., BERNI, C., PAQUIER, A. – 2017. Mixing layer development in compound channel flows with submerged and emergent rigid vegetation over the floodplains. Experiments in Fluids, vol. 58, n° 30, 18 p.
• PROUST, S., FERNANDES, J.N., LEAL, J.B., RIVIERE, N., PELTIER, Y. – 2017. Mixing layer and coherent structures in compound channel flows: effects of transverse flow, velocity ratio and vertical confinement. Water Resources Research, vol. 53, n° 4, p. 3387-3406. https://doi.org/10.1002/2016WR019873
• DUPUIS, V., PROUST, S., BERNI, C., PAQUIER, A. – 2017. Compound channel flow with a longitudinal transition in hydraulic roughness over the floodplains. Environmental Fluid Mechanics, vol. 17, n° 5, p. 903-928
• PROUST, S., NIKORA, V.I. – 2018. Flow structure in compound open-channel flows in the presence of transverse currents. River Flow 2018: 9th International Conference on Fluvial Hydraulics. Lyon, France, EDP sciences.
• DAS, B. S., DEVI, K.,  PROUST, S., KHATUA, K. K. – 2018. Flow distribution in diverging compound channels using improved independent subsection method. River Flow 2018: 9th International Conference on Fluvial Hydraulics. . Lyon, France, EDP Sciences
• KHUNTIA, J.R., DEVI, K., PROUST, S., KHATUA, K.K. – 2018. Depth-averaged velocity and bed shear stress in unsteady open channel flow over rough bed.  River Flow 2018: 9th International Conference on Fluvial Hydraulics. Lyon, France, EDP sciences.
• PROUST, S., NIKORA, V.I. – 2020.  Compound open-channel flows: Effects of transverse currents on the flow structure. Journal of Fluid Mechanics, 885, A24. doi:10.1017/jfm.2019.973
• CHATELAIN, M., PROUST, S. – 2020. Non-uniform flows in a compound open-channel: assessment of a hybrid RANS – LES approach. Water Resources Research, 56, e2020WR027054. https://doi.org/10.1029/2020WR027054