Analyse de la dynamique du jet de rive : approches expérimentale et numérique

Analysis of the swash zone dynamics: experimental and numerical approaches

• Auteur / Autrice : Maxime Kaczmarek
• Direction : Julien Chauchat
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'Environnement
• Date : Inscription en doctorat le 01/09/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Terre de l'Environnement et des Planètes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels

Mots clés

Mots clés libres

Transport de sédiments

Zone de jet de rive

Mobilité/érosion des côtes

Simulation numérique triphasique

Sediment transport

Swash zone

Coastal mobility/erosion

Three-phase numerical simulation

Résumé

Le transport sédimentaire est le principal moteur de l'évolution morphologique des côtes. Si l'on considère d'un côté les importantes modifications que connaissent les littoraux dues au changement climatique, et de l'autre l'intérêt certains que représentent ces zones pour nombre d'activités humaines, il apparaît que la prédiction de l'évolution morphologique des côtes (à différentes échelles de temps) est un enjeu majeur. Pour répondre à cet enjeu, plusieurs modèles morphodynamiques de grande échelle (comme XBeach) ont été développés. Ces derniers se basent sur une version 2D des équations hydrodynamiques intégrées sur la profondeur (modèle shallow water), ce qui leur permet de simuler l'évolution de côtes sur de longues périodes (jusqu'à plusieurs mois). Dans la dérivation de ces modèles, les processus de fines échelles tels que ceux se produisant très proche de la plage dans la zone de jet de rive (swash zone) sont encore mal modélisés aujourd'hui (la zone de jet de rive étant définie comme la partie de la plage située entre la position maximum de la montée des vagues et la position minimum de leur retrait). Elle est le théâtre d'interactions complexes entre les vagues incidentes, les sédiments, les eaux souterraines et le jet de rive proprement dit. Parmi les nombreux verrous scientifiques qui restent à lever, la modélisation du transport de sédiments dans cette zone à différentes échelles de temps et d'espace, est un enjeu majeur. Répondre à cette problématique passe par l'élaboration de nouveaux modèles multiphasiques qui prennent en compte les différents processus sédimentaires à petites échelles tels que les interactions entre les particules et les macrostructures turbulentes, les interactions entre les particules et les surfaces libres et les interactions entre les particules elle-mêmes. Ces nouveaux modèles doivent en particulier permettre de mieux comprendre et modéliser les processus physiques à l'œuvre et ainsi améliorer les formules de transport de sédiments qui constituent aujourd'hui encore le maillon faible des modèles morphodynamiques grande échelle. L'étude des mécanismes physiques prenant place à l'intérieur de la zone de jet de rive, et pilotant l'évolution morphologique des côtes, est un champ de recherche expérimental actif. Cependant, la difficulté de réaliser des mesures dans les écoulements multiphasiques, peu profonds, intermittents, turbulents, et variant rapidement que sont les jets de rive en font une zone encore mal comprise, la quantité de données expérimentales disponibles pour confronter les modèles théoriques et numériques étant ainsi limitée. Dans ce contexte, il devient pertinent de mener une étude conjointe, entre expériences de laboratoire bien contrôlées et développement de modèles numériques multiphasique 3D validés expérimentalement, pour essayer de mieux comprendre les processus physiques responsables de la dynamique et du transport sédimentaire dans la zone de jet de rive (ceux-ci donnant accès à des quantités difficilement mesurables expérimentalement). Les récentes avancées de l'équipe d'accueil en la matière laissent penser que les modèles 3D bi-fluides (considérant les sédiments comme un milieu continu à la rhéologie complexe) atteignent aujourd'hui une maturité suffisante pour être ainsi utilisés. Cette thèse se propose donc de poursuivre les travaux dans cette voie, en produisant un ensemble de données expérimentales qui serviront à valider le solveur open-source sedInterFoam (développé en partie par l'équipe d'accueil). Ce solveur sera ensuite utilisé pour étudier les mécanismes physiques à l'œuvre dans la zone de jet de rive. Une démarche de remontée d'échelle sera ensuite mise en œuvre pour améliorer les modèles grande échelle.

Sediment transport is the main driver of coastal morphological evolution. Considering, on the one hand, the major modifications to coastlines caused by climate change, and, on the other, the interest these areas represent for many human activities, predicting coastal morphological evolution (on different timescales) is a major challenge. To meet this challenge, several large-scale morphodynamic models (such as XBeach) have been developed. These are based on a 2D version of the hydrodynamic equations integrated over depth (shallow water models), thereby enabling them to simulate the evolution of coastlines over long periods (up to several months). In these models, fine-scale processes such as those occurring very close to the beach in the swash zone are still poorly modeled today (the swash zone being defined as the part of the beach located between the maximum position of wave run-up and the minimum position of wave run-down). This area is the scene of complex interactions between incident waves, sediments, groundwater and the swash jet. Among the many scientific hurdles still to be overcome, the modeling of sediment transport in this zone on different time and space scales is a major challenge. To address this issue, new multiphase models need to be developed that take into account the various small-scale sedimentary processes, such as interactions between particles and turbulent macrostructures, interactions between particles and free surfaces, and interactions between particles themselves. In particular, these new models should help to better understand and model the physical processes at work, and thus improve sediment transport formulas, which are still the weak link in large-scale morphodynamic models. The study of the physical mechanisms taking place within the swash zone, and driving the morphological evolution of coastlines, is an active field of experimental research. However, the difficulty of carrying out measurements in the multiphase, shallow, intermittent, turbulent and rapidly changing flow of swash jets makes it an area that is still poorly understood, and the amount of experimental data available to compare theoretical and numerical models is limited. In this context, a joint study combining well-controlled laboratory experiments and the development of experimentally-validated 3D multiphase numerical models, becomes relevant in an attempt to better understand the physical processes responsible for the dynamics and sediment transport in the swash zone (the latter providing access to quantities that are difficult to measure experimentally). The host team's recent advances in this field suggest that 3D bi-fluid models (considering sediments as a continuous medium with complex rheology) are now sufficiently mature to be put to such use. The aim of this thesis is to pursue work in this direction, by producing a set of experimental data that will be used to validate the open-source sedInterFoam solver (developed in part by the host team). This solver will then be used to study the physical mechanisms at work in the swash zone. An up-scaling approach will then be implemented to improve the large-scale models.