Ondes transverses et longitudinales en écoulement permanent

Problématique scientifique

Il s’agit d’étudier les ondes de surface libre transverses et longitudinales induites par le détachement tourbillonnaire derrière des macro-rugosités émergées ou faiblement immergées dans des écoulements  confinés latéralement. Les macro-rugosités représentent des modèles d’arbre ou de maison.

Questions scientifiques

• Quantification du phénomène de seiche (oscillations transverses et longitudinales de la surface libre) pour des rugosités émergées (D/h<1, avec D = hauteur d’eau moyennée dans le temps et h = hauteur de la macro-rugosité) et/ou faiblement immergées (1<D/h<1.5).
• Influence des nombres adimensionnels clef: submergence D/h, nombre de Froude basé sur le hauteur d’eau, nombre de Reynolds et de Strouhal basés sur la largeur de la macro-rugosité.
• Influence de la non-uniformité longitudinale de l’écoulement sur le phénomène de seiche.
• Influence de la rugosité de fond (fond lisse vs. rugueux) sur le phénomène de seiche
• Influence des oscillations de la surface libre sur le champ de vitesses moyennées dans le temps et sur les statistiques de la turbulence.

Méthodologie

Les expériences sont conduites dans le canal 18m x 3m d’Irstea, mais en utilisant qu’un tiers de la largeur. 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.

Les fluctuations de hauteur d’eau sont mesurées à l’aide de sondes à ultra-son. 

Ces écoulements ont également été modélisés numériquement avec des codes 2D et 3D industriels ou de recherche.

Canal 18m x 1 m, avec (1) rugosités cylindriques (modèles d’arbre) émergées sur fond rugueux (modèle de prairie) et (2) avec rugosités cubiques (modèles de maison) émergées sur fond rugueux (modèle de prairie).

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)

Thèses et post-doctorat

• Thèse de Meriem Chétibi (Janvier 2016 – Décembre 2018) intitulée : ‘Écoulements turbulents dans des canaux non-prismatiques’ (co-directeurs : S. Benmamar, ENPA; S. Proust, INRAE)
• Thèse de Marina Oukacine intitulée (Janvier 2016 à Juin 2019): ‘Étude expérimentale et numérique d’écoulements en présence de macro-rugosités émergées et faiblement submergées’.  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.

Exemple de résultat

Profils longitudinaux de l’écart-type des fluctuations du niveau d’eau σ (normalisé par la profondeur d’écoulement moyenne dans le temps D) et de l’immersion D/h, où h = hauteur d’un élément de macro-rugosité (Chetibi et al. 2019)

Publications

• 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, American Institute
  of Physics, 2021, 33 (10), pp.106602. DOI:10.1063/5.0063288. hal-03369211
• Chetibi, M., Proust, S., Benmamar, S. (2019). Transverse surface waves in steady uniform and non-uniform flows through emergent and weakly submerged square cylinders. Journal of Hydraulic Research, DOI: 10.1080/00221686.2019.1647885
• 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.