Structure et modélisation d'écoulements à surface libre dans des canaux de rugosité inhomogène

Abstract

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. La rugosité est créée par des barrettes parallélépipédiques collées, à espaces réguliers, sur la zone centrale du canal, les parties latérales étant lisses. Les mesures par Anémométrie Laser Doppler à deux composantes ont conduit à une description détaillée des champs du tenseur de Reynolds et de vitesses moyennes, et notamment des écoulements secondaires. Après avoir déterminer l'évolution transversale de la fonction de rugosité, de la position de l'origine de la loi logarithmique et du frottement pariétal, 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 œuvre 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, nous avons adapté une version algébrique du modèle de Gibson et Rodi (1989). L'analyse des prédictions du modèle dans des configurations de référence, tel que l'expérience de Hinze (1973) et nos mesures, montre qu'il simule correctement l'évolution transversale et verticale des profils des contraintes turbulentes ainsi que la structure des écoulements secondaires. Ce modèle est exploité pour proposer de nouvelles fermetures sur le frottement à la paroi et les termes dispersifs, liés au transport advectif, des modèles intégrés de saint venant.