Étude des instabilités d'un écoulement à surface libre sur un fond à géométrie périodique

• Auteur / Autrice : Anne-Laure Le Fessant
• Direction : Denis Dartus
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Génie hydraulique

Modélisation tridimensionnelle

Canaux

Ondelettes

Instabilités hydrodynamiques

Mécanique des fluides

Résumé

Dans cette étude, nous nous proposons de caractériser les phénomènes d'instabilités apparaissant à la surface libre d'écoulements dans des canaux à forte pente et sur des fonds à géométrie périodique. Trois types d'approche sont développés : expérimentale, numérique et théorique. Nous établissons d'abord les équations de Barré Saint-Venant constituant la base de notre étude, puis effectuons une revue bibliographique des phénomènes d'instabilité déjà observés. L'étude expérimentale est basée sur des mesures de hauteurs d'eau effectués dans un canal artificiel permettant l'observation visuelle des écoulements. Sur fond lisse, il apparaît des ondulations de la surface libre, périodiques et stables, déjà connues sous le nom de roll waves. Pour des applications industrielles, des rugosités artificielles, représentées par diverses barrettes, ont été placées à intervalles réguliers au fond du canal. Nous étudions ensuite l'influence sur la configuration de l'écoulement des paramètres suivants : espacement inter-rugosité, pente et débit. Différents types d'instabilité (paquets d'eau, trains d'onde et sinusoi͏̈des) ont ainsi pu être identifiés à l'aide par exemple de transformées en ondelettes. Le développement des différentes ondes apparaît comme lié à la présence et à la nature des obstacles. Une étude numérique est présentée avec notamment, la description et la validation du modèle numérique, et la justification du choix de la méthode de résolution. La réflexion théorique pose le problème de la caractérisation de la stabilité d'un écoulement à surface libre monodimensionnel sur un fond incliné à géométrie périodique. Nous présentons enfin les résultats de l'application du code de calcul à des écoulements sur fond incliné avec obstacles. Ceci permet de retrouver et valider les résultats théoriques, puis d'examiner dans quelle mesure le modèle est capable de rendre compte des phénomènes d'instabilités apparaissant expérimentalement sur ce type de fonds.