= Multi-scale approach of river morphodynamics : sediment transport, bars and meanders

• Auteur / Autrice : Filippo Chiodi
• Direction : Bruno Andreotti, Philippe Claudin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matière condensée et interfaces
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Paris 7
• Jury : Président / Présidente : François Charru
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Andreotti, Philippe Claudin, Eric Lajeunesse, Pierre-Yves Lagrée, Valérie Vidal, Stéphane Rodrigues, François Charru
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Lajeunesse, Pierre-Yves Lagrée

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méandres

Sédiments (géologie)

Écoulement diphasique

Instabilités hydrodynamiques

Résumé

Cette thèse se consacre à trois problèmes de morphodynamique des rivières. Le premier concerne le transport des sédiments, pour lequel un modèle diphasique est proposé, modèle valide à la fois dans le régime visqueux ainsi que turbulent. Ce modèle décrit la transition entre transport en charriage et en suspension lorsque l'on augmente le nombre de Shields. Le deuxième thème est la formation des barres alternées. Nous revisitons l'analyse de stabilité linéaire de cette forme de lit afin de souligner le rôle joué par la longueur de saturation, démontrant que la longueur de saturation contrôle la transition des rides aux barres alternées. La troisième partie de cette thèse, la plus développée, est dédiée à la formation des méandres. Au moyen des équations RANS en 3D, nous procédons à une description détaillée de l'hydrodynamique dans un canal avec à la fois un lit modulé ainsi que des berges ondulées. L'analyse de stabilité linéaire couplé au transport des sédiments nous donne le taux de croissance, la vitesse de migration et la forme du lit pour des berges à nombre d'onde k donné. Ces prédictions présente un accord quantitatif avec les données expérimentales que nous avons obtenue sur un ruisseau: la relation de dispersion complète peut être interpolée avec des paramètres raisonnables, et nous reproduisons également la modulation du lit. De manière qualitative, nous identifions le mécanisme responsable de cette instabilité. Ce mécanisme est diffèrent de celui proposé par Einstein ainsi que de la résonance proposé par Blondeaux & Seminara. Enfin, nous montrons que les équations moyennées sur la profondeur (Saint-Venant) ne permettent pas de reproduire cette instabilité.

This thesis has been devoted to three different problems related to the morphodynamics of rivers. The first of them concerns sediment transport, for which a two-phase flow model has been proposed, valid in both viscous and turbulent regimes. As a main result, this model describes the transition from bed load to suspended load when the Shields number is increased. The second subject was the formation of bars. We revisited the linear stability analysis of these bedforms in order to emphasize the role played by the saturation length. We have shown that this saturation length controls the transition from ripples to bars. The third and most developed aspect of this PhD work was dedicated to the formation of meanders. By means of 3D RANS equations, we have performed a detailed description of hydrodynamics in a channel with both modulated bed and undulating banks. Coupled to sediment transport, the linear stability analysis of the problem gives predictions for the growth rate, the migration velocity and the shape of the bed for given meandering banks of wavenumber k. These predictions are in quantitative agreement with experimental data we obtained in a small flume: the entire dispersion relation is fitted with reasonable parameters of the modeling, but also the bed modulation is correctly reproduced. On the qualitative sicle, we have identified the mechanism responsible for this instability. This mechanism is different to thàt proposed by Einstein and it is also different to the resonance proposed by Blondeaux & Seminara. Finally, we have shown that depth-averaged (Saint-Venant) equations are not able to reproduce the instability.