Couche limite turbulente dans les écoulements à surface libre : étude expérimentale d'effets de macro-rugosités

par Emma Florens

Thèse de doctorat en Physique, dynamique des fluides

Sous la direction de Olivier Eiff et de Frédéric Moulin.

Soutenue en 2010

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    Dans le cas d'écoulements sur fond rugueux, selon la théorie des couches limites sur paroi, la couche limite est composée de trois sous couches : la couche externe, la sous couche rugueuse et une zone de recouvrement entre les deux sous couches. Sous l'hypothèse d'invariance selon la direction transverse, et pour des rapports h/D faible (h hauteur des rugosités, D hauteur d’eau), la théorie prédit que le profil de vitesse longitudinale moyenne suit une loi logarithmique dans la zone de recouvrement. Cette loi permet d'accéder aux paramètres de paroi, comme la longueur de rugosité z0, et permet également d'estimer le coefficient de frottement nécessaire à fermer les équations de St Venant intégrées sur la verticale. Cependant, lorsque l'écoulement se fait en présence de macro-rugosités, i. E. Pour h/D important, ou en présence d'un fond rugueux inhomogène, la question de la validité de la loi logarithmique se pose. Une étude expérimentale de deux effets de macro-rugosités a été ici effectuée : l'effet de confinement de la couche limite et l'effet de la présence d'une variation transverse de macro-rugosités. Les écoulements ont été générés dans une veine hydraulique de grande dimension (20m x 1. 1m x 0. 5m), sur des fonds macro rugueux composés de cubes en PVC de 2 cm de côté. La technique de PIV 2D a été employée. Des moyens techniques nouveaux, tel que l'emploi de cubes en verre BK7, ont permis de mesurer le champ de vitesse entre les rugosités avec une grande résolution spatiale. Dans le cas de fonds rugueux homogènes, il a été mis en évidence que la similarité de la couche externe est observée jusqu'à des confinements h/D = 0. 33. Pour de fort confinement (h/D > 0. 15), la vitesse de frottement u*, liée à l'intensité de frottement généré à la paroi, n'est plus l’échelle caractéristique de vitesse de l'écoulement. Dans le cas d'écoulements sur fond rugueux inhomogène, une étude préliminaire a permis d'observer l'effet des courants secondaires générés par le changement de rugosité sur la similarité de la couche externe.

  • Titre traduit

    Turbulent boundary layer in open-channel flow : experimental study of macro-roughness effects


  • Pas de résumé disponible.


  • Résumé

    In the case of turbulent rough flows, according to the wall boundary layers theory, the boundary layer is composed of three sublayers : the outer layer, the roughness sublayer and an overlap between the two sublayers. Under the assumption of invariance under the transverse direction, and for ratios h/D low (h roughness height, D water depth), the theory predicts that the longitudinal mean velocity profile follows a logarithmic law in the overlap layer. This log-law provides access to the wall parameters, as the roughness length z0, and can also estimate the coefficient of friction necessary to close the St Venant equations vertically integrated. However, in presence of macro-roughnesses, i. E. For h/D important, or in presence of a inhomogeneous rough bed, the question of the logarithmic law validity arises. An experimental study of two macro-roughnesses effects has been made : the confinement effect and the transverse variation of macro-roughnesses effect. The regimen were generated in a large open-channel (20m x 1. 1mx 0. 5m), and macro-rough beds were made with 20 mm plastic cubes. 2D PIV technique was used. New measurement technologies, such as BK7 glass cubes, were used to measure the velocity field between the roughness elements with high spatial resolution. In the case of homogeneous rough bed, it was revealed that the similarity of the outer layer is observed for confinement numbers h/D < 0. 33. For strong confinement (h/D > 0. 15), the friction velocity u*, related to the intensity of friction generated at the wall, is no longer the characteristic scale of the flow velocity. In the case of flows over inhomogeneous rough bed, a preliminary study was made to observe the effect of secondary currents generated by the change of roughness on the outer layer similarity.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (xiv-238 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 233-238

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2010 TOU3 0299
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