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.

Cette thèse développe 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 dans la zone de paroi et sous la surface libre. La simulation numérique exige la mise en oeuvre de modèles du tenseur de Reynolds. Nous avons adapté une version algébrique du modèle de Gibson & Rodi (1989). Le modèle simule correctement l'évolution transversale et verticale des profils des contraintes turbulentes. Ce modèle est exploité pour proposer de nouvelles fermetures sur le frottement à la paroi et les termes dispersifs des modèles intégrés de Saint Venant.

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

L'objectif de cette thèse est de développer un modèle numérique 3D afin d'étudier le phénomène de laves torrentielles ; écoulements visqueux fortement chargés en matière solide, surgissant en montagne lors d'orages violents. Aujourd'hui, la prévision des zones de vulnérabilité s'appuie sur des outils de calcul 0D, 1D ou 2D. Or ces outils ne peuvent représenter pleinement le comportement à surface libre des écoulements du fait de nombreuses approximations et hypothèses. Ainsi cette thèse met en œuvre un code numérique 3D pour étudier ces écoulements. Ce travail aboutit à la construction d'un modèle 3D à partir de données réelles de terrain. Plusieurs scénarios ont été étudiés et comparés à des résultats issus d'un modèle 2D. Les résultats mettent en évidence les apports non négligeables de la modélisation 3D : zones d'étalement et de dépôt, phénomènes d'encombrement, modélisation fine des écoulements dans les zones chenalisées. Préalablement, le modèle 3D a été validé en comparant les résultats numériques à des données expérimentales issues de la littérature, pour des typologies d'écoulement représentatives de celles observées sur des sites grandeur nature.

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.

LA METHODE DES ELEMENTS FINIS A CONNU DEPUIS QUELQUES DIZAINES D'ANNEES UN ESSOR REMARQUABLE A CAUSE DE L'ACCROISSEMENT DE LA CAPACITE DES ORDINATEURS. TOUT D'ABORD CONFINEE A LA MECANIQUE DES STRUCTURES, LA METHODE DES ELEMENTS FINIS A ETE APPLIQUEE AVEC SUCCES A LA MECANIQUE DES FLUIDES ET PLUS PARTICULIEREMENT A L'HYDRODYNAMIQUE OU ELLE TROUVE UN TERRAIN D'APPLICATION REMARQUABLE A CAUSE DE LA DESCRIPTION DU MILIEU PHYSIQUE AUX FRONTIERES ET A LA BATHYMETRIE SOUVENT COMPLEXES. LE PRESENT TRAVAIL S'INSCRIT DANS CETTE PERSPECTIVE ET PRESENTE TOUT D'ABORD LES MODELES GENERAUX TRIDIMENSIONNELS DE TYPE NAVIER-STOKES AINSI QUE LA DERIVATION DES MODELES BIDIMENSIONNELS HORIZONTAUX ASSOCIES DE TYPE SAINT-VENANT. POUR CE DERNIER SYSTEME D'EQUATIONS INSTATIONNAIRES, NON LINEAIRES, PLUSIEURS METHODES DE RESOLUTION ONT ETE EXAMINEES, MISES EN UVRE ET TESTEES. EN ASSOCIATION AVEC CES STRATEGIES DE RESOLUTION, UNE SERIE D'ELEMENTS TRIANGULAIRES TRES SIMPLES A ETE TESTEE POUR SELECTIONNER LES ELEMENTS LES PLUS INTERESSANTS POUR UNE MISE EN UVRE OPTIMALE DANS LE CONTEXTE DE LA METHODE DES ELEMENTS FINIS. UNE SERIE D'EXEMPLES STATIONNAIRES ET INSTATIONNAIRES PERMET DE PRESENTER LEURS PERFORMANCES ET LEUR APPLICABILITE DANS UNE UTILISATION CONCRETE; L'ETUDE DE LA PROPAGATION DE LA MAREE DANS LA MANCHE FOURNIT, A CET EGARD, UNE BONNE ILLUSTRATION. ENFIN, LA MODELISATION DE LA PROPAGATION DES ECOULEMENTS DANS DES DOMAINES AVEC FRONTIERE MOBILE A ETE DUMENT ETUDIEE. CERTAINS ASPECTS AUSSI BIEN PHYSIQUES QUE MATHEMATIQUES DU PHENOMENE SONT RAPPELES. UNE DEMARCHE ALGORITHMIQUE EST PROPOSEE, ET VALIDEE SUR DES CAS COMPORTEMENTAUX

Ce travail de thèse traite de la modélisation et la simulation des systèmes complexes et s’inscrit dans la thématique du contrôle et la gestion des ressources en eau. Nous proposons une approche originale basée sur les modèles de Boltzmann sur réseau pour représenter les écoulements au sein des canaux d’irrigation, habituellement décrits par les équations non linéaires de Saint-Venant. Nous avons adapté un modèle bi-fluide et étudié les conditions aux bords qui permettent de reproduire la géométrie d’un canal à surface libre. Des méthodes de détermination des grandeurs hydrauliques d’intérêt ont été développées. Nous nous sommes intéressés au comportement des vannes de fond en régime noyé, et nous démontrons que le modèle permet de décrire celui-ci spontanément dans différentes situations de fonctionnement. Des validations ont été effectuées par le biais d’une comparaison avec des expérimentations menées sur un micro-canal expérimental. Nous avons également introduit dans le modèle des phénomènes de sédimentation et étudié l’influence de la présence d’un dépôt de sédiments sur l’écoulement. Là aussi, les résultats de simulation et d’expérimentation convergent.