Écoulements confinés latéralement en présence de macro-rugosités

Problématique scientifique

Il s’agit d’étudier l’influence de macro-rugosités émergées ou faiblement immergées (modélisant des arbres ou des maisons en lit majeur) sur la structure d’écoulements (de crues) confinés latéralement (canal à section simple rectangulaire).

Questions scientifiques

• Variation de la structure de l’écoulement avec le paramètre de submergence D/h des macro-rugosités (D = hauteur d’eau moyennée dans le temps et h = hauteur de la macro-rugosité), pour 1<D/h<1.5.
• Influence des nombres de Froude, Reynolds, et Strouhal sur la structure de l’écoulement
• Influence de la non-uniformité longitudinale de l’écoulement sur la structure de l’écoulement (comparaison écoulement uniforme / écoulement accéléré)
• Influence d’une transition longitudinale de rugosité hydraulique sur la structure de l’écoulement.
• Influence de la rugosité de fond (fond lisse vs. rugueux) sur la structure de l’écoulement.
• Influence de l’instationnarité sur la structure de l’écoulement.

Méthodologie

Les expériences sont conduites dans le canal 18m x 3m d’irstea, mais en utilisant qu’un tiers de la largeur (18m x 1m, donc). La section transversale est rectangulaire, les parois latérales étant en verre. Pour le fond, différentes rugosités hydrauliques sont étudiées:

• Modèles d’arbre (cylindres de bois de 1 cm de diamètre) posés sur fond lisse (verre)
• Modèles d’arbre (cylindres de bois de 1 cm de diamètre) posés sur fond rugueux (herbe artificielle dense). Densité d’arbre: 81 arbres/m², distribution en quinconce.
• Modèles de maison (cubes de PVC de 6.4 cm de côté) posés sur fond rugueux (herbe artificielle dense). Densité de maisons: 49 maisons/m².

 Le champs de vitesse est mesuré à l’ADV (side-looking probe) ou à la PIV 2D-2C (plan vertical-longitudinal). Ces écoulements sont également modélisés numériquement avec des codes 2D et 3D industriels ou de recherche.

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

• École Nationale Polytechnique d’Alger (ENPA)
• Laboratoire d’Hydraulique Saint-Venant (LHSV)
• Institut National Technologique (NIT) de Rourkela, Inde.

Thèses et post-doctorats

• Thèse de Victor Dupuis (Janvier 2013 – Juin 2016) : ‘Étude expérimentale d’écoulements en lit majeur avec transition longitudinale de rugosité’. Encadrement: S. Proust, C. Berni, et A. Paquier (directeur de thèse).
• Thèse de Meriem Chetibi (Janvier 2016 – Décembre 2018) intitulée : ‘Écoulements turbulents dans des canaux non-prismatiques’. Co-directeurs : S. Benmamar (ENPA, Algérie); S. Proust.
• Thèse de Marina Oukacine intitulée (Janvier 2016 à Décembre 2018): ‘Étude expérimentale et numérique d’écoulements en présence de macro-rugosités émergées et faiblement submergées en canal simple’.  Co-directeurs:  N. Goutal (EDF), et S. Proust.
• Post-doctorat de Marc Chatelain (Mars 2017 –  août 2018) intitulé ‘Simulation 3D LES (Large Eddy Simulation) d’écoulements en plaine d’inondation en présence de macro-rugosités émergées ou faiblement immergées’. Encadré par S. Proust.
• Thèse de Djnana Khuntia (2016-2020) intitulée ‘Unsteady open-channel flows over a rough-bed with and without emergent rigid vegetation’, National Institute of Technology, Rourkela. Encadré par K. Khatua et S. Proust de mars à septembre 2018.

Publications

• Dupuis, V., S. Proust, C. Berni, and A. Paquier (2016). Combined effects of bed friction and emergent cylinder drag in open channel flow, Environmental Fluid Mechanics, vol. 16, n° 6, p. 1173-1193, DOI: 10.1007/s10652-016-9471-2.  dupuis_et_al_2016_efm_postprint,
• Chetibi, M., Proust, S., Benmamar, S. (2020 ). Transverse surface waves in steady uniform and non-uniform flows through emergent and weakly submerged square cylinders. Journal of Hydraulic Research, vol. 58, n°4, p. 605-617, DOI: 10.1080/00221686.2019.1647885
• M.  Oukacine, S. Proust, F. Larrarte, N. Goutal (2021). Experimental flows through an array of emerged or slightly submerged square cylinders over a rough bed. Scientific Data , Nature Publishing Group, 8 (1), 10.1038/s41597-020-00791-w.
• Chatelain, M., and S. Proust (2021). Open-channel flows through emergent rigid vegetation: effects of bed roughness and shallowness on the flow structure and surface waves.  Physics of fluids 33(10). doi: 10.1063/5.0063288