Contrôle de la propagation des ondes à la surface de l'eau par des milieux microstructurés

Control of water waves propagation by micro-architectured materials

• Auteur / Autrice : Samantha Kucher
• Direction : Philippe Petitjeans, Agnès Maurel, Vincent Pagneux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 14/12/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physique et mécanique des milieux hétérogènes (Paris ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Jury : Président / Présidente : Claire Prada
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Petitjeans, Agnès Maurel, Vincent Pagneux, Sébastien Guenneau, Thi Kim Loan Pham, Pablo Javier Cobelli
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sébastien Guenneau, Thi Kim Loan Pham

Mots clés

Mots clés libres

Ondes de surface

Métamatériaux

Hydrodynamique

Surface waves

Metamaterials

Hydrodynamics

Résumé

Les métamatériaux sont des matériaux artificiels qui permettent de modifier la propagation des ondes de manière rarement observée dans la nature. Ils se composent généralement de la répétition périodique d'une cellule unitaire de dimension inférieure à la longueur d'onde concernée. Dans le cadre de cette thèse, nous réalisons une étude expérimentale sur l'utilisation des métamatériaux pour le contrôle d'ondes à la surface de l'eau.Trois systèmes de contrôle d'ondes différents, mais apparentés, sont étudiés : (i) la résonance résultant de la diffusion d'une onde plane sur un cylindre vertical immergé, (ii) la réduction de la réflexion générée dans un canal coudé grâce à un réseau de plaques parallèles, et finalement (iii) l'absorption du sillage d'un bateau par un mur microstructuré constitué de cavités résonnantes.Nous considérons d'abord un métamatériau formé d'une ligne de cylindres immergés et nous nous intéressons au comportement d'une seule cellule unitaire. Pour cela, nous étudions l'incidence d'une onde plane sur un cylindre immergé dans un guide d'ondes, numériquement et expérimentalement. Les coefficients de réflexion et de transmission sont déterminés en mesurant la déformation de la surface libre. Nous montrons que ce système présente une résonance sub-longueur d'onde analogue à la résonance de Mie en électromagnétisme.Ensuite, nous réalisons un métamatériau composé d'un réseau périodique de plaques minces, verticales et parallèles, étroitement espacées, allant du fond du canal jusqu'au-dessus de la surface de l'eau. Ce réseau peut être utilisé pour dévier les ondes à différents angles, en fonction de l'épaisseur des plaques et de l'angle d'incidence. Nous étudions d'abord numériquement le comportement d'un réseau infini de plaques, puis nous confinons ce réseau dans un guide d'ondes à deux coudes perpendiculaires. En plaçant le métamatériau dans la partie centrale, nous avons réussi à réduire considérablement la réflexion dans les coudes et ainsi obtenir une transmission élevée.Enfin, nous concevons un mur microstructuré capable d'atteindre une absorption parfaite en considérant le coefficient de réflexion dans le plan de fréquence complexe. Notre microstructure est composée de la répétition de cavités résonnantes, et nous l'utilisons pour absorber le sillage d'un bateau. Ce système peut avoir des applications dans l'ingénierie marine, notamment dans les géométries avec confinement latéral telles que les rivières.

Metamaterials are artificially architectured materials that affect the wave propagation in ways that are not usually found in nature. They typically consist of the periodic repetition of a unit cell smaller than the wavelength involved. In this thesis we conduct an experimental study on the use of metamaterials to control surface water waves.Three different, although closely related, wave control systems are studied: (i) the resonance arising from the scattering of a plane wave on a submerged vertical cylinder, (ii) the reduction of backscattering generated by a sharp bend in a channel thanks to an array of parallel plates, and finally (iii) the absorption of the boat wake by a microstructured wall consisting of resonant cavities.We first consider a metamaterial made of submerged cylinders in a row and we focus on the behavior of a single unit cell. For this purpose, we study the incidence of a plane wave on a submerged cylinder in a waveguide, both numerically and experimentally. Reflection and transmission coefficients are determined by measuring the free surface deformation fields. We show that this system exhibits a subwavelength resonance analogous to the Mie resonance in electromagnetism.Secondly, we design a metamaterial consisting of a periodic array of parallel thin vertical plates, closely spaced, spanning from the channel bottom to above the fluid surface. This array can be used to deflect waves at different angles depending on the thickness of the plates and the angle of incidence. We first study numerically the behavior of an infinite array of plates and then confine this array into a waveguide with two perpendicular turns. By placing the metamaterial in the central part we are able to reduce considerably the backscattering in the turns and thus obtain a high transmission.Finally, we consider the reflection coefficient in the complex frequency plane to design a microstructured wall capable of achieving perfect absorption. Our wall consist of the repetition of resonant cavities and we use it to absorb the wake pattern of a boat. This system could be applied to coastal protection or on geometries with lateral confinement such as rivers.