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Projet de recherche

Interaction ‘fluide – forme – sédiment’ :
Application au transport sédimentaire
dans un système littoral

Motivation générale

Mon projet de recherche porte sur l’étude expérimentale et fondamentale des phénomènes hydrodynamiques couplés au transport sédimentaire dans un système côtier. Il doit aboutir à une meilleure compréhension et à une modélisation de l’interaction ‘écoulement – transport - morphologie’.

Ce projet de recherche, compte tenu des problèmes actuels en mécanique des fluides appliqués aux phénomènes naturels, s’appuie sur :

l’étude de l’interaction ‘fluide – forme – sédiment’
et son application au transport sédimentaire dans un système littoral

Le projet de recherche s’articule en trois points :

1. Etude des processus hydrodynamiques contrôlant le transport des sédiments. L’expérimentation et la modélisation en canaux à houle offrent de nombreux atouts afin d’étudier ces phénomènes.

2. Etude de l’interaction formes sédimentaires – écoulement.

3. Développement d’outils et mesures in situ. Cette démarche est difficile et coûteuse mais permet d’aborder les phénomènes sédimentaires et côtiers directement en s’affranchissant des effets d’échelles, tout en donnant des ordres de grandeurs indispensables à toute comparaison avec une modélisation.

Le projet

Les paragraphes suivants détaillent les différents axes de recherche envisagés :

- Etude des processus hydrodynamiques contrôlant le transport des sédiments

Les recherches expérimentales envisagées ont pour but d’approfondir les résultats dégagés pendant la thèse concernant la couche limite de houle d’une part, et de lancer des investigations sur les processus physiques intervenant dans le domaine côtier d’autre part.

Le contrôle des paramètres expérimentaux intervenant directement sur l’écoulement ainsi que sur les échanges fluide/solide doit faciliter l’analyse des phénomènes physiques pour aboutir à la modélisation.

Afin d’appréhender les effets d’échelle en comparant les résultats à moyenne échelle (canaux de Caen) avec l’échelle naturelle, le laboratoire de Caen, dont je connais bien les spécificités, est particulièrement intéressant de par sa localisation géographique qui permet facilement l’association entre les expériences de laboratoire et les mesures in-situ en environnement côtier.

La démarche proposée est la suivante :
- étude de l’écoulement (couche limite turbulente sur fond rugueux, échelles de turbulence, détachement tourbillonnaire),
- mesure des échanges de masse à l’interface eau/sédiment,
- analyse de la dissipation d’énergie à l’interface eau/air (dans le déferlement en particulier).

La mise en évidence de profils de vitesse instables pendant les phases de retour de la houle, la présence d’une bulle de recirculation, les signes caractéristiques d’un écoulement tri-dimensionnel constituent des éléments précieux quant à la compréhension des échanges eau/sédiment sur le fond marin. Ces résultats mis en évidence pendant ma thèse doivent être approfondis au cours des futures investigations expérimentales : Il est primordial de mieux comprendre les phénomènes physiques mis en jeu dans la couche limite de houle afin d’aboutir à une meilleure modélisation de l’écoulement dans cette zone critique pour le transport sédimentaire.

La première partie de cette étude vise à redéfinir l’épaisseur de rugosité équivalente kS définie par Nikuradse à l’intérieur de tubes. En contrôlant la hauteur des éléments rugueux, leur répartition, leur forme et leur distribution, il sera possible de déterminer kS dans un écoulement oscillant à surface libre mieux adapté à l’environnement marin que dans un écoulement confiné. Les profils de vitesses obtenus par Vélocimétrie Doppler à Laser permettront de classifier le caractère turbulent de la couche limite en lien avec le type de rugosité. Cette étude permettra une meilleure compréhension des processus d’échanges sur le fond d’un canal à houle.

Au moyen de la Vélocimétrie Doppler Ultrasonore, les profils de couche limite sur le fond des canaux à houle peuvent être aussi déterminés en présence de sédiments ou d’éléments solides.

La correspondance entre les théories linéaires et non linéaires de la couche limite avec mes résultats expérimentaux se détériore lorsque les ordres les plus élevés des composantes de la houle deviennent importants. Dans tous les cas, le courant résiduel mesuré, responsable du transport de matière est considérablement plus faible que les prédictions de la modélisation. J’ai présenté à l’issue de ma thèse une modification de la théorie linéaire de Lamb afin de proposer une formulation qui inclut une composante additionnelle mieux à même d’approcher la couche limite de houle.

- Etude de l’interaction formes sédimentaires – écoulement

Alors que l’utilisation de formules empiriques sur fond plat est encore nécessaire pour déterminer les caractéristiques de la couche limite turbulente, la présence de formes sédimentaires (rides, dunes, …) sur le fond augmente la complexité des phénomènes. A la rugosité propre de chaque grain s’ajoute la contribution de ces formes qui ne permettent pas encore de déterminer précisément la contrainte de cisaillement globale dans l’écoulement.

La mesure des champs de vitesse autour des formes sédimentaires (pendant les phases d’initiation, de formation, de déplacement) à l’aide d’un vélocimètre ultrasonore permettra de déterminer les vitesses seuils du mouvement ainsi que la contrainte de cisaillement le long de la forme. Alors que le vélocimètre ultrasonore est initialement employé pour la mesure de vitesse par effet Doppler, il pourra être adapté à la mesure de la concentration des sédiments. Cette méthode s’appuie sur le traitement du signal de l’écho émis par les particules en suspension et par un étalonnage sur des échantillons calibres. Alors que les techniques classiques de mesure ultrasonore fournissent une mesure ponctuelle ou linéaire de la vitesse, il pourra être très intéressant d’adapter un échographe combiné à une technique de traitement des vitesses par particules (interférométrie de Speckle) sur un fond sédimentaire. Cette technique innovante permettrait de suivre à la fois l’évolution de la forme sédimentaire (en 2D) ainsi que l’hydrodynamique du sédiment au dessus de ces formes.

La résolution spatiale de la vélocimétrie Doppler à Laser (système optique obsolète avec l’emploi de sédiments) pourra être utilisée pour déterminer avec précision les profils de vitesse sur des rides ‘pré-formées rigides’ (usinage du fond, résinage des grains et des formes)

Des visualisations permettront d’appréhender suivant différentes conditions de houle les différents modes de transport des particules. Le contrôle précis des paramètres de l’écoulement (dans des canaux) ainsi que des caractéristiques des particules, utilisées alors comme traceurs, permettra de visualiser le roulement, le sautillement ou la mise en suspension des particules ainsi que les formes générées sur le fond (rides, dunes, anti-dunes). La concentration du sédiment sera déterminée le long de la colonne d’eau par prélèvement et analyse granulométrique, afin d’étudier le processus de stratification dans un régime de houle.
Cette analyse peut être étendue à des cas observés dans la zone côtière, en alternant le type de rugosité (bande de sable suivie d’une bande de galets) ou en introduisant une activité biologique (algues, coquillages) qui altère profondément l’écoulement sur le fond.

- Mesures in-situ

Les mesures sur le terrain complètent l’ensemble des résultats expérimentaux et offrent la possibilité d’une meilleure compréhension des processus à l’échelle naturelle.

L’étendue des investigations couvre la mesure des phénomènes de dissipation depuis la zone côtière jusqu’au domaine marin, la mesure du transport des sédiments (mesure par Vélocimétrie Doppler Ultrasonore), et des caractéristiques de l’écoulement dans les zones d’eaux peu profondes. Ces expérimentations permettent également une analyse comparative avec les résultats issus des essais en canaux. Pour un site caractéristique choisi, la mesure du spectre de la houle au large ainsi que la connaissance du profil de plage sont des éléments qui peuvent être reproduits dans le canal à houle de Caen (22m) afin de faciliter l’approche des phénomènes physiques et de dégager les paramètres prépondérants en dehors des sources perturbatrices agissant à l’échelle naturelle (courant longitudinal, fond irrégulier,…).

Alors que les mesures des vitesses sont réalisées ponctuellement et donnent une vision Eulérienne de l’écoulement, il serait intéressant de développer un outil permettant de suivre un mouvement Lagrangien (transport dans un estuaire par exemple). Ce système consiste en le suivi d’une sonde immergée dérivante, émettant un signal ultrasonore pulsé et dont la position dans l’espace (marin) est déduite au cours du temps par triangulation grâce à trois récepteurs fixes et immergés. De même, l’ensemble des études entreprises à moyenne échelle pourra être appliqué dans le canal à houle d’Hanovre (grande échelle) avec qui j’entretiens des liens étroits depuis mon expérience sur ce site. Cette étape est nécessaire avant de prolonger les études à des sites naturels.

Enfin la construction d’un bassin hydro-sédimentaire par une réhabilitation du hall de gel (dans la cour de M2C) permettra d’aborder complètement la morphodynamique d’une plage ainsi que l’évolution du trait de côte.