Soutenance mémoire
Les modèles physiques hydrauliques (exemple d’un modèle à lit fixe en Figure 1) visent à reproduire de manière simplifiée le fonctionnement d’un cours d’eau (le prototype) en un environnement contrôlé (le laboratoire). Ces modélisations ont de multiples applications telles que la caractérisation d’un aléa inondation, le dimensionnement d’aménagements, l’évaluation d’impacts d’ouvrages implantés dans le lit majeur, la définition d’ouvrages de protection ou encore l’étude de l’évolution morphologique d’un cours d’eau. Il existe deux grandes familles de modèles pour apporter des réponses aux nombreuses problématiques soulevées précédemment :
• Les modèles numériques/mathématiques (1D, 2D et 3D)
• Les modèles physiques .
Ces modèles cherchent à reproduire des écoulements à surface libre, tridimensionnels et turbulents. Cette schématisation de la réalité est obtenue au prix d’approximationsréaliséessur différentes représentations offertes par le prototype (G. Nicollet, 1991). Ces approximations peuvent être de l’ordre de :
• La géométrie des écoulements qui fait l’objet d’une discrétisation
• Les phénomènes physiques pris en compte faisant l’objet de simplifications consenties, particulièrement sur les courants secondaires, issus de distorsions d’échelles verticales ou horizontales
• La restitution des résultats lors de la réalisation de mesures issue de la résolution des appareils utilisés .
Dans le cas présent ce travail s’intègre dans la réalisation d’un modèle capable de « reproduire en canal artificiel le processus de genèses/migration des barres associé à la baisse des débits et au changement de morphologie des berges ». Afin de réaliser cet objectif il semblerait qu’un modèle physique à fond mobile soit à retenir. En effet ce type de modèle est le plus à même de représenter l’évolution morphologique d’un cours d’eau, et ce particulièrement lorsque l’aspect sédimentologique est déterminant (ce dernier vient alors conditionner les écoulements). Un des principaux enjeux auxquels il convient de faire face lors de la réalisation d’un modèle physique est le respect des règles de similitudes de base. En effet pour pouvoir considérer que les données issues du modèle soient transposables au prototype il est nécessaire que les paramètres alimentant le modèle respectent des similitudes d’échelles constantes en :
• Géométrie (rapport de dimensions du prototype et du modèle)
• Cinématique (rapport des accélérations en tous points entre prototype et modèle)
• Dynamique (rapport de forces appliquées en tous points entre prototype et modèle).
Si le respect simultané des similitudes géométriques et cinématique implique de facto le respect de la similitude dynamique, il vient poser un premier problème d’ordre pratique lorsque le respect de ces échelles (particulièrement géométrique) est incompatible avec la surface disponible pour implanter un modèle physique. A ceci s’ajoute des problématiques de similitude de Reynolds et de Froude (échelle dynamique) entrainant des effets d’échelle. En effet pour un même fluide utilisé entre le prototype et le modèle, le respect simultané de ces conditions implique l’utilisation d’un modèle présentant une similitude géométrique d’ordre 1, négligeant l’intérêt logistique d’un modèle physique. De plus, pour des conditions de hauteur d’eau réduites, on peut constater en fonction des circonstances expérimentales des incompatibilités dans cette similitude. Il arrive alors que mise à l’échelle du nombre de Reynolds demande une forte accélération des écoulements alors même que la mise à l’échelle du nombre de Froude demande un fort ralentissement de ces derniers. Aussi, il sera nécessaire d’intégrer une gestion efficace de la hauteur d’eau en aval du modèle afin de respecter la condition de régime fluvial imposé dans une reproduction de la Loire. Un système de volets réglables peut être envisagé afin de retenir une partie des écoulements et respecter une condition de hauteur d’eau aval. Les changements d’échelle à appliquer sur la géométrie, sur la densité et la granularité des éléments solides et sur les débits solide et liquide devront être déterminés en amont du projet afin de maintenir une similitude dynamique des écoulements et du transport sédimentaire. Cette mise à l’échelle doit pouvoir respecter les conditions de rugosité du chenal, de nature des sédiments (caractère cohésif) et de similitude d’entrainement pour les forces tractrices et les sédiments retenus (Julien, 2002). On constate alors qu’il est difficile d’appliquer plusieurs similitudes de manière simultanée entre prototype et laboratoire dans le cas des modèles physiques. Il existe des méthodes de contournement de cette impossibilité. Il est par exemple envisageable de créer des distorsions géométriques en jouant sur des différences d’échelles de largeur et de longueur du modèle (on réduit ainsi les difficultés logistiques liées aux dimensions du modèle et celles issues des incompatibilités dynamiques liées à des hauteurs d’eau très faibles). On peut aussi envisager de complètement exclure certains critères de similitude présentant des difficultés jugées comme insurmontables ou créant trop d’incertitude. Ces distorsions et exclusions ne sont pas sans conséquences sur le modèle et les résultats obtenus, puisqu’elles multiplient l’effet des imprécisions lors des extrapolations des résultats du modèle vers prototype. C’est ce dernier point qui motive la réalisation de ce rapport, cherchant à proposer des instrumentations et des méthodes de mesures capables de mesures suffisamment précises pour réduire les imprécisions dues aux effets d’échelle et de distorsion. Les méthodes et outils proposés répondent tous à des conditions de précision élevée, de facilité d’utilisation et d’acquisition et enfin de non intrusivité dans le modèle (ne perturbant pas le transport liquide et solide).
Mesure de débit liquide
Mesure de débit liquide
Le débit liquide est un paramètre essentiel dans le fonctionnement d’un modèle physique. Tout comme les matériaux mobiles utilisés et la géométrie du modèle, celui-ci doit être mis à l’échelle afin de respecter la similitude dynamique. Il est extrêmement important d’en avoir un contrôle le plus précis possible, que ce soit pour des expériences en régime permanent ou variable. Deux catégories de mesures sont envisageables : les mesures liées à une relation hauteur d’eau/débit réalisées dans des canaux jaugeurs et déversoirs, et celles liées à une relation section/vitesse d’écoulement ou force électromotrice/débit dans les conduites d’adduction d’eau alimentant le modèle. Ces différents types de dispositifs mesurent le débit en deux points du système d’alimentation en eau et peuvent ainsi présenter un avantage si utilisés de manière simultanée. Les informations sur le débit entrant sont alors multipliées et indiquent en cas de non concordance des deux mesures un possible dysfonctionnement des parties correspondantes dans le système .
Canaux jaugeurs (Venturi) et déversoirs
Il s’agit là de s’appuyer sur une relation connue entre hauteur d’eau et débit en surface libre pour la section d’écoulement considérée. Ces systèmes de mesure de débit sont applicables aux écoulements à régime permanents ou à variation lente, leur utilisation est donc possible dans le cas de ce modèle dans les conditions de fonctionnement envisagées. Les systèmes de type canaux jaugeurs sont divisés en trois sections. La première section tranquillise les écoulements si ces derniers présentaient des turbulences particulières. Le canal évolue ensuite en une section rétrécie jaugée. Ce rétrécissement a pour effet d’accélérer les écoulements et ainsi de basculer d’un écoulement sous-critique à supercritique représentant une hauteur d’eau présente dans le canal, à même d’être mesurée pour établir une appréciation du débit circulant dans celui-ci. Enfin, une troisième section élargie ralentit les écoulements afin de retourner à un état sous-critique pour permettre l’alimentation du modèle. Cette section élargie doit présenter une longueur suffisante pour s’affranchir de toute influence de la hauteur d’eau en aval du rétrécissement, qui pourrait perturber son fonctionnement et fausserait les mesures de hauteur d’eau.
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Table des matières
Introduction
Les dispositifs de mesure
Mesure de débit liquide
Mesures de débit liquide en entré de modèle
Mesure du débit solide massique
Mesures du débit massique solide en entrée de modèle
Mesure de débit massique solide en sortie de modèle
Mesures de vitesses
Mesure de vitesse du fluide
Mesure de vitesse des sédiments charriés
Bathymétrie
Trois états du modèle
Les dispositifs de relevé bathymétrique
Conclusion
tableau récapitulatif
Bibliographie
Annexes
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