Soutenance mémoire
Structures en profondeur intermédiaire
Les zones d’implantation où la profondeur est comprise entre MN et SN- (paramètre de dispersion A OWNQNXY NQZR[ pour une période de houle d’environ 12 secondes) sont dites zones en profondeur intermédiaire. Les vitesses induites par la houle y agissent sur toute la colonne d’eau, de la surface libre aux fonds marins, contrairement aux zones en eaux profondes. Du fait de la profondeur plus réduite, la direction de propagation de la houle est conditionnée en partie par la bathymétrie du fond. De plus, les zones en profondeur intermédiaire sont plus proches des côtes. La houle est donc également impactée par la forme du rivage. Par ailleurs, les courants de marée sont plus importants dans ces zones. Ceci est, comme dans le cas de la houle, principalement dû à la réfraction engendrée par la bathymétrie et à la diffraction induite par la forme du littoral. Les structures implantées dans ces zones sont diverses et aussi plus nombreuses qu’en eaux profondes. Des structures de récupération d’énergie marine y sont installées. Les hydroliennes bénéficient des forts courants de marée et la profondeur est suffisante pour leur permettre d’avoir des pâles plus longues pour produire plus d’énergie. Par ailleurs, des parcs éoliens offshores apparaissent dans ces zones parce que leur installation et leur maintenance y est plus aisée qu’en eaux profondes et qu’elles bénéficient des fortes vitesses du vent. Des plates formes pétrolières sont aussi installées dans ces zones car des gisements de pétrole peuvent y être présents. Enfin, des structures de protection côtière sont aménagées pour protéger les littoraux en réfléchissant et en dissipant une partie de l’énergie de la houle. Plusieurs autres critères sont aussi à prendre en compte pour déterminer ces zones d’implantations, comme : les réserves naturelles, les ressources de pêche, les voies de navigation, etc. Quelle que soit la structure considérée, celle-ci interagit avec la houle. En profondeur intermédiaire, les perturbations hydrodynamiques générées peuvent impacter les fonds marins, perturber la faune et la flore et engendrer du transport sédimentaire. La surface libre ainsi que les structures voisines peuvent être affectées. Ce dernier impact se manifeste par exemple dans le cas des fermes d’hydroliennes.
Tourbillons issus de l’interaction houle/structure
La théorie potentielle est souvent utilisée pour décrire les processus de transmission et de réflexion de la houle au-dessus d’un obstacle immergée. Par exemple, Parapatanich et Cheong (1) montrent que les plaques immergées permettent la réflexion et la dissipation d’une partie de l’énergie de la houle. Elles présentent également l’avantage de préserver la continuité de l’environnement marin puisqu’elles ne sont pas directement posées au sol mais en suspension. De plus, en termes de design, elles sont plus économiques et plus particulièrement dans les zones à eaux profondes. Cette configuration a été étudiée par de nombreux auteurs mais dans le cas de la théorie potentielle ((13), (14), (15), (16), (17), (18), (19)). À partir de cette théorie, la description de l’écoulement local autour d’une plaque immergée a été entreprise par certains auteurs ((20), (21), (22), (23)) et révèle un écoulement oscillant sous la plaque. En plaçant une hélice à cet endroit, cette configuration a été envisagée pour tenter de convertir une partie de l’énergie de la houle (Figure 2-1). Néanmoins, se pose la question de la validité de ces théories dans le cas de l’étude de l’écoulement proche. En effet, dans l’étude de Chang et al (24), en 2005, l’utilisation d’un code RANS permet d’identifier des structures tourbillonnaires qui déterminent fortement l’écoulement. De même, en utilisant la PIV, Lengricht et al (25), ont montré qu’il y avait aussi génération de tourbillons sur les bords de la plaque, comme dans le cas des marches immergées traité par Chang et al (24). Néanmoins, la description de la cinématique des tourbillons n’a pas été précisée. Les tourbillons modifient considérablement les écoulements à proximité des structures mais ils n’ont été étudiés que récemment, notamment dans le cas des digues immergées. Ting et Kim (26), sont parmi les premiers à avoir étudier la dynamique tourbillonnaire générée par interaction de la houle avec une marche rectangulaire immergée. Leurs mesures ont permis de détecter, périodiquement, des tourbillons horaires et antihoraires des deux côtés de la marche immergée (Figure 2-2). Ces tourbillons sont fortement impliqués dans le processus de dissipation de la houle. S’ils atténuent fortement l’énergie de la houle transmise au passage de l’obstacle, ils n’ont quasiment pas d’effets sur son processus de réflexion. Le manque de précision de leurs données n’a cependant pas permis de quantifier précisément la dissipation due aux tourbillons.
Théorème de Kelvin
Une autre propriété importante des tourbillons est énoncée dans le théorème de Kelvin qui postule la conservation de la circulation à condition : que la viscosité soit considérée nulle, que les forces extérieures dérivent d’un potentiel scalaire et que le fluide soit barotropique, c’est-à-dire que la densité soit une fonction de la pression seulement (31). Les conséquences du théorème de Kelvin sont les suivantes :
– les lignes de tourbillons orientées par le vecteur .//0 se déplacent selon l’écoulement ;
– la circulation est constante tout au long des tourbillons quelle que soit la section de tourbillon considérée ; une dilatation ou une contraction des tourbillons induit automatiquement une baisse ou une augmentation de la vitesse azimutale respectivement ;
– les tourbillons doivent avoir leurs extrémités connectées à une interface solide/liquide, solide/gazeux ou liquide/gazeux ou former des anneaux tourbillonnaires ;
– la circulation des tourbillons reste constante au cours du temps
Néanmoins dans la réalité des écoulements, les fluides sont toujours visqueux, ce qui induit une diffusion et une dissipation visqueuse des tourbillons, elles-mêmes éventuellement issues des phénomènes de turbulence.
Synchronisation entre la houle, la caméra et le laser
Pour obtenir cinquante champs de vitesse par période alors que la fréquence d’acquisition n’est que de quinze paires d’images par seconde, la caméra et le laser sont synchronisés par rapport à la houle en utilisant un boîtier de synchronisation. La fréquence de houle ayant été fixée à MT6 (B M), il faut effectuer des acquisitions successives et décalées les unes des autres pour avoir plus de 15 champs de vitesse sur une période de houle. La question de la reproductibilité, d’une période à l’autre, se pose. Dans les faits, les tourbillons se déforment très peu à leur génération puis de plus en plus au cours de leur développement. D’une période de houle à l’autre, leur déformation ne se manifeste pas aux mêmes instants. Néanmoins, en considérant l’écoulement moyen sur plusieurs périodes, la trajectoire du tourbillon moyen est continue et l’écart type sur ses positions successives assez faible, du moins sur la première période de houle qui suit sa formation. Ainsi, l’hypothèse de reproductibilité est valide en considérant ces écoulements moyens et les acquisitions peuvent être recalées les unes par rapport aux autres. Pour cela, elles doivent toujours avoir la même référence temporelle par rapport à l’évolution de la houle. Un codeur permet de se caler par rapport à la houle en suivant les oscillations du batteur. Ainsi, il génère un signal carré où chaque front montant correspond à un aller-retour du batteur et donc à une nouvelle vague. Un boîtier de synchronisation permet alors de relier le signal carré du codeur à l’ensemble laser-caméra. Ainsi à chaque front montant, le boîtier de synchronisation commande les ouvertures et les fermetures successives du laser et de la caméra.
Synchronisation entre les caméras et la houle
Les images sont prises par les caméras à une fréquence de MRT6. Cette fréquence est un compromis entre le nombre de phases par période voulues et le temps de traitement des données. En effet, les temps de calculs pour effectuer la correspondance entre les pixels des images issues des caméras 1 et 2 associés à un même filament à un instant donné est assez long (environ 3 heures par filament). Ces caméras sont synchronisées par rapport à la houle à l’aide du boîtier de synchronisation et du codeur déjà utilisés pour les mesures de champs de vitesse PIV du chapitre précédent. Les images sont donc prises aux mêmes instants et sont calées temporellement par rapport à la houle. Ceci permet, en outre, de confronter l’évolution des filaments tourbillonnaires en utilisant plusieurs acquisitions différentes. Le nombre de vagues (périodes) considérées dans notre étude est de vingt, toujours dans le souci de réduire le temps de traitement des données.
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Table des matières
Introduction
1. Contexte de l’étude
1.1. Les structures marines
1.1.1. Structures en eaux profondes
1.1.2. Structures en profondeur intermédiaire
1.1.3. Structures à faible profondeur
1.2. Impacts des structures sur l’environnement
1.2.1. Interaction courant/structures
1.2.2. Interactions houle/structures
1.3. Objectif de thèse
2. Ecoulements tourbillonnaires
2.1. Tourbillons issus de l’interaction houle/structure
2.2. Définition des tourbillons
2.2.1. Définition d’un tourbillon
2.2.2. Circulation des tourbillons
2.2.3. Théorème de Kelvin
2.2.4. Dynamique de la vorticité
2.2.5. Champ de vitesse induit par un filament courbe
3. Définition des conditions de l’étude
3.1. Description du dispositif expérimental
3.2. Conditions de houle
3.3. La structure immergée utilisée
3.4. Grandeurs caractéristiques de l’étude
4. Ecoulement bidimensionnel induit autour de la plaque par l’interaction houle/structure
4.1. Dispositif expérimental utilisé
4.1.1. Fonctionnement de la PIV
4.1.2. Mise au point et calibration
4.1.3. Fenêtres de visualisation
4.1.4. Synchronisation entre la houle, la caméra et le laser
4.1.5. Processus d’acquisition
4.2. Outils de traitement
4.2.1. Représentation des champs de vitesse et de vorticité
4.2.2. Localisation du cœur des tourbillons
4.2.3. Mesure de la circulation des tourbillons
4.3. Caractérisation de l’écoulement autour de la plaque
4.3.1. Impact de la présence de la plaque sur l’écoulement moyen global
4.3.2. Caractérisation de la dynamique tourbillonnaire
4.4. Rôle joué par la dimension de la plaque immergée
4.4.1. Modification de l’écoulement de base
4.4.2. Positionnement par rapport à la théorie potentielle
4.4.3. Description de la dynamique tourbillonnaire
4.5. Conclusion sur le rôle joué par les tourbillons dans la dynamique de l’écoulement
5. Etude de la déstabilisation tridimensionnelle des tourbillons
5.1. Instabilités des tourbillons
5.1.1. Induction mutuelle des tourbillons
5.1.2. Instabilités dues à la présence de vitesses axiales au cœur du tourbillon
5.1.3. Déformations de grandes amplitudes d’un tourbillon
5.1.4. Phénomène d’éclatement tourbillonnaire
5.2. Dispositif expérimental utilisé
5.2.1. Fonctionnement de la stéréo-vidéographie
5.2.2. Synchronisation entre les caméras et la houle
5.2.3. Mise au point et calibration
5.3. Outils de traitement
5.3.1. Numérisation des coordonnées pixels des filaments tourbillonnaires
5.3.2. Correspondance entre les deux images du même filament
5.3.3. Reconstruction 3D
5.3.4. Rééchantillonnage
5.3.5. Analyse de Fourier des filaments
5.3.6. Analyse en ondelettes des filaments
5.4. Analyse des modes de déformations des tourbillons
5.4.1. Reconstruction 3D des tourbillons
5.4.2. Analyse de Fourier des filaments
5.4.3. Analyse en ondelettes des filaments
5.5. Analyse de l’éclatement tourbillonnaire
5.5.1. Structures annulaires du cœur des tourbillons
5.5.2. Observations des phénomènes d’éclatement et de reconnexion
5.6. Discussion sur les phénomènes induisant la déstabilisation des tourbillons
5.7. Conclusion sur la déstabilisation tridimensionnelle des tourbillons
Conclusion
Bibliographie
Annexes
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