Ondes impulsées à la surface de l'eau par un effondrement granulaire

Water waves impulsed by a granular collapse

• Auteur / Autrice : Wladimir Sarlin
• Direction : Philippe Gondret, Cyprien Morize
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 14/12/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Fluides, automatique et systèmes thermiques (Orsay, Essonne ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Claudin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Lacaze, Olivier Roche, Thierry Dauxois, Pierre-Yves Lagrée, Eric Lajeunesse
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Laurent Lacaze, Olivier Roche

Mots clés

Mots clés contrôlés

Glissements de terrain

Milieux granulaires

Ondes non linéaires

Ondes de surface

Dynamique des fluides

Mots clés libres

Mécanique des Fluides

Ondes de Surface

Physique Non-Linéaire

Milieux Granulaires

Tsunami

Glissement de Terrain

Fluid Mechanics

Surface waves

Non-Linear physics

Granular Material

Tsunami

Landslide

Résumé

Les tsunamis comptent parmi les catastrophes naturelles les plus destructrices pour les populations côtières de par le monde. De tels évènements peuvent, entre autres, être générés lors d'un glissement de terrain ou d'un éboulement massif, par exemple quand un pan de montagne ou de volcan se déstabilise et chute dans un lac, un fjord ou dans l'océan. L'objectif de cette thèse est d'étudier la génération de telles vagues à travers l'utilisation d'une configuration expérimentale modèle, dans laquelle une colonne de matériau granulaire de section rectangulaire, qui modélise le glissement de terrain, s'effondre dans une cuve remplie d'eau initialement au repos. Des mesures systématiques sont réalisées, en variant la profondeur de liquide tout comme la géométrie de la colonne de grains, afin de remonter par traitement d'images aux propriétés de l'avalanche granulaire comme à celles de l'onde produite. Dans un premier temps, la dynamique d'effondrement en l'absence d'eau est étudiée, ce qui permet de mettre en lumière les échelles de temps caractéristiques à l'œuvre ainsi que l'impact d'une libération progressive du milieu granulaire. Au cours des expériences de génération d'onde, différents régimes de vagues sont obtenus et analysés en fonction du nombre de Froude local, lequel correspond au rapport de la vitesse horizontale maximale du front de grains à l'interface avec l'eau à la célérité des ondes gravitaires linéaires en eau peu profonde. Des ressauts, des ondes solitaires ou encore des vagues de Cauchy-Poisson sont observées, selon que ce paramètre présente des valeurs respectivement élevées, modérées ou faibles. Une analyse hydrodynamique est proposée afin de relier ces régimes à des modèles classiques d'ondes : les vagues générées présentent alors un caractère soit non-linéaire en eau peu profonde (ressauts, ondes solitaires), soit linéaire lorsqu'on tend vers la limite d'eau profonde. Enfin, un modèle est proposé, afin de relier l'amplitude maximale de la vague produite aux paramètres initiaux, en combinant les résultats obtenus au sujet de la dynamique de l'effondrement et ceux de l'hydrodynamique des ondes en eau peu profonde. L'approche se compare avec succès aux résultats expérimentaux, et explique l'influence des différents nombres sans dimensions clés proposés dans la littérature sur le sujet. Ce modèle permet une meilleur compréhension de la physique sous-jacente aux tsunamis engendrés par des glissements de terrain survenant dans un contexte d'eau peu profonde.

Tsunamis are amongst the most destructive natural disasters for coastal populations around the world. Such events may be generated from massive landslides or rockfalls, for example when a mountain or a volcano becomes destabilized and falls into a lake, a fjord, or the ocean. The objective of this thesis is to study the generation of such waves through the use of a model experimental configuration, in which a column of granular material of rectangular cross-section, which models the landslide, collapses into a tank filled with water initially at rest. Systematic measurements are performed, in which the depth of liquid as well as the geometry of the grains' column are varied, in order to trace by image processing to the properties of the granular avalanche as well as those of the wave produced. Firstly, the dynamics of collapse in the absence of water is studied, which highlights the characteristic time scales involved as well as the impact of a gradual release of the granular medium. During wave generation experiments, different regimes are revealed and thoroughly analyzed: these are intimately related to the local Froude number, which corresponds to the ratio of the maximum horizontal velocity of the grain front to the speed of linear gravity waves in shallow water. We thus observe bores, solitary waves or Cauchy-Poisson waves depending on whether this parameter has high, moderate, or low values, respectively. A hydrodynamic analysis is proposed in order to link these regimes to water wave theory: the waves generated then have a non-linear character in shallow water (hydraulic jumps, solitary waves), or a linear one in deep-water. Finally, a model is proposed, in order to relate the maximum amplitude of the wave produced to the initial geometrical parameters, by combining the results obtained for the dynamics of the collapse and those about the hydrodynamics of the waves in shallow water. The approach successfully compares with the experiments and explains the influence of the different key dimensionless numbers that were proposed in the literature on the subject. This is a first simplified, albeit comprehensive, modelling of the physics underlying tsunamis caused by landslides in a shallow water context.