Dynamique tourbillonnaire en milieu peu profond

par Damien Sous

Thèse de doctorat en Sciences physiques et de l'ingénieur. Mécanique

Sous la direction de Natalie Bonneton.

Soutenue en 2003

à Bordeaux 1 .

mots clés

• Tourbillons (mécanique des fluides)
• Turbulence

Résumé

Les milieux peu profonds font partie de notre environnement proche : les zones littorales, les lacs, les lagunes ou encore les milieux océaniques ou atmosphériques stratifiés. La connaissance des écoulements en milieu peu profond et de leurs propriétés de transport est primordiale pour comprendre la morphologie des lits de rivières ou des zones côtières et pour l'analyse des paramètres naturels et anthropogéniques (chaleur, solides dissous ou en suspension, espèces biologiques), ainsi que pour les prévisions météorologiques. Les observations réalisées sur ces milieux ont mis en évidence un dynamique particulière liée au confinement vertical. On peut assister à la formation de gros tourbillons horizontaux dont la taille excède très largement la profondeur. Ce travail de thèse vise à améliorer la compréhension de ces phénomènes physiques dans le cas d'une dynamique tourbillonnaire générée par un jet impulsionnel turbulent. Grâce à deux dispositifs expérimentaux complémentaires, l'un à petite échelle au laboratoire Master et l'autre à grande échelle sur la plaque Coriolis, nous avons caractérisé la transition d'un milieu profond à un milieu peu profond. Cette transition est contrôlée par un paramètre adimensionnel que nous avons appelé le nombre de confinement C. Lorsque C est faible, le comportement observé relève de la turbulence tridimensionnelle, le milieu est profond. Pour de grandes valeurs de C, on assiste au développement d'une dynamique de turbulence quasi-bidimensionnelle, le milieu est qualifié de peu profond. En milieu peu profond, les jets pulsés se structurent en gros tourbillons de type dipôles. Une étude détaillée de ces dipôles, à la fois à petite échelle (dipôles laminaires) et à grande échelle (dipôles turbulents), a montré l'existence d'un rouleau frontal généré par la friction sur le fond. L'analyse de ces processus physiques a permis de construire un modèle théorique de dipôle dont les prédictions sont comparées avec succès aux résultats expérimentaux

Titre traduit

Vortex dynamics in a shallow water layer

Résumé

The shallow water flows are found in lowland rivers, coastal areas, lakes, and stratified atmospheric and oceanic flows. A proper knowledge of shallow flows and their transport capacities is of great importance for predicting the flow in and morphology of riverbeds and coastal zones, for the analysis of natural and anthropogenic parameters(heat, dissolved and suspended solids, biological species) and for weather forecasting. The observations carried out on shallow flows have revealed a particular dynamics: the vertical confinement can induce the formation of large horizontal vortices, which size greatly exceeds the depth. The aim of the thesis is to improve the knowledge of these physical processes in the case of a vortex dynamics generated by a turbulent impulsive jet. Two experimental campaign, one at small scale at the Master laboratory and the other one on the Coriolis turntable, have been performed to characterize the transition from a deep water layer to a shallow water layer. This transition is controlled by a dimensionless parameter we have called the confinement number C. When C is weak, the behaviour corresponds to three-dimensional turbulence, the water layer is deep. When C is great, the impulsive jet develops in a quasi-two-dimensional turbulence, the water layer is shallow. When the water layer is shallow, impulsive jets generate large horizontal vortices. A detailed study of these dipoles, laminar at small scale and turbulent at large scale, has shown the presence of a vertical circulation in the dipole front. The experimental results have been successfully compared with an original theoretical model.