Effets collectifs dans une canopée modèle immergée : reconfiguration et oscillation

Flow-induced behaviour of a 2D model canopy : reconfiguration, oscillation, waving

• Auteur / Autrice : Sylvie Barsu
• Direction : Michel Lance, Nicolas Rivière, Delphine Doppler
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 21/11/2016
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides et acoustique (Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Ivana Vinkovic
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Delphine Doppler, Laurence Bergougnoux, Evelyne Kolb
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Emmanuel de Langre, Philippe Larroudé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécanique des fluides

Canopée

Vagues

Interaction fluide-structure

Mots clés libres

Interaction fluide-structure

Reconfiguration

Effet d'écran

Houle

Monami

Fluid-structure interaction

Reconfiguration

Sheltering effect

Waves

Monami

Résumé

Les canopées sont des assemblées compactes de plantes dont l'étude concerne de nombreuses problématiques environnementales. Des applications technologiques sont également envisageables. Les précédents travaux se sont principalement focalisés sur les écoulements au-dessus des canopées, considérées comme des rugosités de fond. La présence d'un point d'inflexion dans le profil de vitesses dans le fluide autorise le développement d'instabilités de type couche de mélange à l'interface. De plus, la prise en compte de la flexibilité des plantes complique le problème, car leur forme est modifiée par le courant pour réduire la traînée exercée sur elles --c'est le phénomène de reconfiguration-- mais elles ont également une dynamique propre qui peut éventuellement influencer l'écoulement. La démarche envisagée dans cette thèse est essentiellement expérimentale. Elle cherche à comprendre la réaction des tiges à différents types d'écoulements, afin d'étudier les effets collectifs inhérents à la canopée, et d'identifier les mécanismes communs qui en sont à l'origine. On utilise pour cela des tiges modèles très simples dans un canal étroit, ce qui assure une configuration quasi 2D et facilite les observations. Dans un premier temps, on étudie la réaction statique de la canopée à un écoulement établi. L'effet de la densité est très clair tant que les plantes sont assez proches, sinon elles se comportent comme si elles étaient seules. Ensuite, la canopée est soumise à un écoulement oscillant (houle), et, de la même façon, on étudie la différence de réaction entre une tige seule et une tige incluse dans une canopée. La troisième partie s'intéresse à la dynamique de la canopée soumise à un écoulement unidirectionnel, permettant le développement d'instabilités au sommet de la canopée. Le régime de grandes ondulations cohérentes de la canopée, apparenté au ‘monami' de la littérature, est caractérisé

Vegetation in rivers is often considered as a source of water resistance which slows down the water conveyance. It is also one of the main component for river equilibrium, insofar as it prevents body erosion by providing bed stabilization, it plays a vital role during floods. It is crucial for sediment transport, water quality and also shelter to provide the necessary habitat for the biodiversity of aquatic species. It is then useful to understand the mechanical behaviour of aquatic canopies resulting from the interaction between vegetation and a water flow. From land-use planning to river management, such a knowledge would also shed light upon plant biomechanics and improve bio-inspired engineering.Traditionally, studies on aquatic vegetation explored its influence on flow properties, like velocity distribution, wake dynamics, turbulence, water conveyance and sediment transport by considering it simply as a rigid or flexible roughness element.This thesis is an experimental work which aims at understanding how a model canopy reacts to a water flow depending on the canopy geometry and the flow conditions. Three different series of experiments are performed.First, the effect of density on the canopy reconfiguration and the corresponding drag reduction is investigated. The drag acting on the canopy, and also on individual sheets, is systematically measured. A strong sheltering effect exists as long as the spacing is smaller than a critical value depending on the sheet width.Then, the canopy is submitted to a wave flow to test its sensibility to a determined frequency. Each stem is found to act like a forced oscillator with a strong resonance at natural frequency (modified by canopy density).Finally, a parallel free flow allows mixing layer instabilities to develop above the canopy. Different behaviour are observed and characterized, especially the large coherent waving called 'monami'