POUR ETUDIER LE COMPORTEMENT DE LA COUCHE LIMITE ENGENDREE PAR UN ECOULEMENT DE HOULE ET/OU DE COURANT, ON SE PROPOSE DANS UNE PREMIERE APPROCHE DE MODELISER DES ECOULEMENTS BIDIMENSIONNELS VERTICAUX EN METTANT EN OEUVRE UN PROGRAMME DE RESOLUTION DES EQUATIONS DE LA MECANIQUE DES FLUIDES QUI UTILISE UNE FORMULATION A.L.E. (ARBITRARY LAGRANGIAN EULERIAN), TECHNIQUE PARTICULIEREMENT BIEN ADAPTEE AUX PROBLEMES A SURFACE LIBRE. UNE ETUDE NUMERIQUE INTRINSEQUE DE CONVERGENCE PORTANT SUR LE CODE A PERMIS D'UNE PART DE FIXER LES PARAMETRES DE DISCRETISATION ET, D'AUTRE PART, DE CHOISIR LA TECHNIQUE D'INTERPOLATION POUR LA DEFINITION DE LA SURFACE LIBRE, LE SCHEMA CONVECTIF ET LE SCHEMA D'EVOLUTION DE LA SURFACE LIBRE AU VOISINAGE D'UNE PAROI. L'ETUDE DE LA PROPAGATION D'UNE ONDE SOLITAIRE A SERVI DE CAS TEST. LES COMPARAISONS DES RESULTATS OBTENUS AVEC CEUX D'ORIGINE EXPERIMENTALE ET ANALYTIQUE D'AUTRES AUTEURS SONT SATISFAISANTES. A PARTIR DE LA NOUS AVONS TRAITE TROIS ASPECTS D'UN PROBLEME IMPORTANT POUR LA DYNAMIQUE SEDIMENTAIRE: LA DETERMINATION DE LA COUCHE LIMITE ENGENDREE PAR UN ECOULEMENT DE HOULE ET/OU DE COURANT. NOUS AVONS REPRODUIT LA CONFIGURATION EXPERIMENTALE DU CANAL A HOULE DU LABORATOIRE DE MECANIQUE DES FLUIDES ET GENIE CIVIL DU HAVRE QUI TRAVAILLE AVEC LE MEME OBJECTIF. POUR UN ECOULEMENT DE HOULE SEULE, LES RESULTATS OBTENUS PAR LA MODELISATION NUMERIQUE SONT SATISFAISANTS, COMPARES AUX RESULTATS ANALYTIQUES DISPONIBLES. POUR UN ECOULEMENT DE COURANT SEUL, LES RESULTATS SONT EGALEMENT EN BON ACCORD AVEC LES RELATIONS FOURNIES PAR LA BIBLIOGRAPHIE EXISTANTE, CETTE ETUDE A NOTAMMENT PERMIS DE PRECISER LES VALEURS DU COEFFICIENT DE CHEZY. ENFIN, LES PREMIERES SIMULATIONS D'ECOULEMENTS COMBINES DE HOULE ET DE COURANT ONT ETE FAITES. LA COMPARAISON AVEC LES RESULTATS EXPERIMENTAUX APPARAIT SATISFAISANTE POUR UN ECOULEMENT DE HOULE DOMINANT

La méthode des éléments finis (m.e.f.) A été appliquée avec succès pour représenter l'hydrodynamique a surface libre, mais avec une modélisation de la turbulence très simplifiée. Ce travail a pour but de simuler, a l'aide de la m.e.f., des écoulements a surface libre avec des représentations de la turbulence plus complexes. Il commence par une présentation générale des modèles de turbulence. Nous avons choisi d'utiliser plus particulièrement deux types de modèle: le modèle k-, des modèles aux longueurs de mélange développés a partir de la simplification du modèle précédent. Une simplification supplémentaire est effectuée en bidimensionnalisant les modèles. Un travail de ce type a déjà été effectué par rodi et al pour le modèle k-. Nous l'avons complété pour les modèles aux longueurs de mélange. Dans le cas ou les courbures de l'écoulement horizontal sont importantes, nous proposons des variantes des deux types de modèle précédents et par ailleurs, une modification des frottements de fond intervenant dans l'équation de l'écoulement (saint-venant). Cette dernière est notamment importante pour les études sedimentologiques. La méthode de résolution des équations du modèle k- utilisée dans cette thèse est la méthode des éléments finis ; il s'agit alors de résoudre un système non linéaire complexe ; dans ce travail, nous avons fait un choix d'interpolation particulier et teste plusieurs méthodes de résolution. Le couplage avec le modèle hydrodynamique est effectue par un algorithme explicite. Sont présentés plusieurs critères pour contrôler la convergence du modèle k-. Nous terminons par une validation des modèles de turbulence utilises sur de nombreux exemples. Sur ces derniers, nous avons vérifié les méthodes employées pour résoudre les équations du modèle k-

Ce livre présente une analyse expérimentale et numérique de la structure d'un écoulement turbulent pleinement développé, dans un canal rectangulaire à ciel ouvert dont le fond présente un fort contraste transversal de rugosité. Les mesures par Anémométrie Laser Doppler à deux composantes ont conduit à une description détaillée des champs, du tenseur de Reynolds, de vitesses moyennes et des écoulements secondaires. Après avoir déterminer les paramètres de paroi, on a analysé et interprété les lois de similitude des composantes du tenseur de Reynolds dans la zone de paroi et sous la surface libre. La simulation numérique exige la mise en oeuvre de modèles du tenseur de Reynolds capables de restituer l'anisotropie de la turbulence et son amplification près de la paroi et de la surface libre. Après une étude comparative de plusieurs modèles, on a adapté une version algébrique du modèle de Gibson & Rodi (1989). L'analyse des prédictions du modèle montre qu'il reproduit correctement le comportement des contraintes turbulentes ainsi que la structure des écoulements secondaires.

Dans ce mémoire, il est présenté le développement d'un outil numérique destiné à la simulation d'écoulements quelconques à surface libre. Cet outil se caractérise par l'emploi d'une méthode fortement couplée pour la résolution des équations de Navier-Stokes et par l'utilisation d'une technique dite de capture d'interface pour localiser la surface libre. Dans la première partie de l'ouvrage, la validation de la technique de capture d'interface est réalisée. Brièvement, cette technique consiste à simuler l'écoulement d'un seul fluide dont les caractéristiques physiques (viscosité et masse volumique) varient au travers d'une zone de transition : zone supposée coïncider avec la surface libre. La localisation de celle-ci est réalisée par la valeur d'un indicateur : la fraction de volume. L'évolution temporelle et spatiale de cette zone est obtenue par la résolution d'une équation de convection. La résolution de cette équation est implicite et ne nécessite pas de reconstruction d'interface. La seconde partie du document présente une description détaillée de la discrétisation des équations de Navier-Stokes utilisée et de la construction du système numérique. Dans cette partie, nous présentons et décrivons deux formulations numériques du problème se distinguant par une prise en compte différente du terme de masse volumique. Puis, la question de la compatibilité entre les discrétisations des équations de conservation est traitée. Enfin, pour conclure le mémoire, les outils numériques présentés sont validés par comparaison avec des résultats expérimentaux pour une grande variété de problèmes : sloshing, effondrement d'une colonne d'eau, instabilités de Rayleigh-Taylor, écoulement autour d'un profil immergé et la génération de houle. Enfin, quelques applications tridimensionnelles comme l'écoulement autour d'une carène sont décrites.

L'utilisation des mod les math matiques dans la simulation des divers ph nom nes, est devenue essentielle comme moyen de pr diction. Cette th se est consacr e l' tude num rique quasi-dimensionnelle, quasi-bidimensionnelle et tridimensionnelle des coulements surface libre. Pour les deux premiers cas nous avons utilis la m thode des volumes finis. Les quations consid r es sont les quations de Saint-Venant obtenues par int gration des quations de Navier-Stokes sur la profondeur. Pour tenir compte de la turbulence un mod le de fermeture type deux quations a t propos . Plusieurs sch mas num riques ont t labor s pour des maillages structur s ou non du domaine. Comme application, nous avons consid r l' coulement bi-couche dans le d troit de Gibraltar pour d terminer l'interface s parant la M diterran e et l'Atlantique. Aussi, l' coulement dans le lac de Bouregreg a t simul dans le but de d terminer les zones mortes o le ph nom ne de l'eutrophisation peut se produire. Finalement nous avons consid r l' coulement 3D dans le lac de Bouregreg, pour pouvoir tudier l'a ration m canique afin de traiter ce ph nom ne qui d grade la qualit de l'eau destin e tre potable.

Les systèmes hydro-informatiques, tels que le système Telemac développé par la branche R&D d'électricité de France, sont devenus en mécanique des fluides à surface libre, et donc principalement pour des études liées à l'environnement, des outils privilégiés et indispensables de la recherche et de l'ingénierie, utilisés aussi bien pour les études d'impact et le dimensionnement des ouvrages que pour le calcul des marées et la simulation des crues. Les principes de la modélisation numérique qui sous-tendent ces nouveaux outils sont rassemblés dans cet ouvrage, depuis l'établissement des équations de base et de leurs formes simplifiées, jusqu'au détail de la révolution numérique, ici avec la méthode des élements finis, sons oublier l'optimisation tenant compte des architectures des ordinateurs et le problème de l'identification des données ou paramètres inconnus. Quelques exemples d'application, comme la rupture du barrage de Malpasset ou le calcul des marées dans la Manche, sont également présentées. L'étudiant, l'ingénieur et le chercheur trouveront ici, avec une unité de lieu et de notation, l'exposé cohérent de tous les raisonnements et hypothèses qui permettent la construction de ces outils modernes d'analyse et de prévision que sont les logiciels de simulation numérique, et dont l'apport en mécanique des fluides dans le domaine de l'environnement devient chaque jour plus indispensable.