Dynamique des écoulements à surface libre, sensibilité, problèmes inverses

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Présentation

Ce thème de recherche se consacre à l’analyse physique et la modélisation des écoulements de surface afin de répondre à des attentes de la société dans le domaine de l’environnement et du développement durable. La modélisation théorique et numérique de la physique des écoulements à surface libre porte tant sur des cas naturels qu’expérimentaux, et plusieurs techniques de mesure dont certaines développées au laboratoire sont utilisées. Disposant de modèles et de données expérimentales ou satellitaires de première main, notre recherche vise de plus à enrichir ces modèles en intégrant analyse de sensibilité et résolution de problèmes inverses pour prendre en compte ces données. D’un point de vue applicatif, ce thème s’intéresse à l’étude des inondations, du transport solide en rivière, et de la conversion de l’énergie hydraulique.

Pilote d'inondation

Pilote d'inondation

Le pilote d’inondation est un dispositif expérimental de 5x5 m² construit en 2012 [8-Arau12] et représentant un quartier urbain à une échelle de 1/200. Cette plateforme unique au monde par sa taille et sa complexité permet de simuler des inondations et des crues en milieu urbain pour étudier la circulation de l'eau dans les rues et au niveau d’un carrefour (régime stationnaire), ou le déplacement d’une vague entre les immeubles. Elle est équipée de dispositifs permettant d’acquérir de manière automatisée les distributions de hauteurs d’eau et de champs de vitesse en tout point de l’écoulement. Les données expérimentales acquises permettent de comprendre les phénomènes physiques associés à la propagation d’inondation en ville, les relations hauteur d’eau-débit dans une conduite [2-IDBF14, 2-IDFV14] les processus de piégeage de matières en suspension [2-SDVF14, 3-SDVF13], et les phénomènes de dépôts/mise en suspension [8-Schm13]. Nos modélisations numériques (équations de Navier-Stokes et de Saint-Venant) bénéficient de la présence du pilote, la comparaison entre résultats expérimentaux et simulation numérique permettant de valider les modèles mathématiques [1-AFLF14, 2-SDVF13, 2-AFABxx] et de proposer des schémas numériques adaptés [2-AFGM12].

Ecoulement au niveau d'un carrefour

Compréhension des mécanismes de transport sédimentaire

Pour permettre une meilleure compréhension des mécanismes de transport sédimentaire, des techniques faiblement intrusives de mesure des vitesses et de caractérisation granulométrique du transport solide dans les fluides sont développées pour étudier la réponse acoustique de différents types de particules (granulométrie et/ou composition) en laboratoire, en rivière et en réseau d’assainissement pour améliorer les dispositifs d’observation et les techniques d’analyse [2-PFFP15]. Nos travaux ont récemment porté sur la métrologie ultrasonore d’écoulements diphasiques (mouvement de bulles d’air injectées sous la coque des navires pour réduire les phénomènes de traînée) en partenariat avec Laboratory of Flow Control de l'université de Hokkaido, et sur une méthode précise de mesure de débit d’hydrocarbures dans des conduites en charge à l’aide d’ondes ultrasonores pulsées [8-Bigo13]. Les techniques de métrologie développées dans ces différents cadres bénéficient aux expériences menées sur le pilote d’inondation, et vice versa.

Dynamique et la prévision des écoulements dans les réseaux hydrographiques

L’étude de la dynamique et la prévision des écoulements dans les réseaux hydrographiques est un autre élément clé de nos recherches puisqu’elle vise à améliorer la compréhension et la modélisation du cycle de l’eau à différentes échelles temporelles et spatiales. Un des verrous scientifiques majeurs est l’identifiabilité de paramètres hydrauliques dans divers contextes observationnels. Cette thématique nécessite des modèles performants, des jeux de données satellites et in situ, des techniques d’assimilation de données. Des modèles de complexités échelonnées sont étudiés dans l’équipe pour plus de flexibilité, de précision ou de rapidité dans la modélisation d’un problème donné, que ce soit en simulation ou pour la résolution de problèmes inverses. L’arrivée récente de deux chercheurs conforte ce dernier point. Nos modèles impliquent généralement un grand nombre de paramètres, de conditions initiales et de conditions aux limites, et produisent souvent des résultats de grande dimension spatiale et/ou temporelle. Ces modèles n’étant qu’une représentation du réel et les paramètres physiques étant souvent connus de manière incertaine, la modélisation seule ne parvient généralement pas à quantifier précisément l'impact d'une perturbation de tel ou tel paramètre sur le système étudié. L’utilisation de l’analyse de sensibilité [2-CD15,2-Charxx,7-GBMCM16], de l’optimisation numérique et de l’assimilation de données permet de mieux appréhender les modèles, de les confronter à des données [2-CCCMVxx] pour combler l’écart entre modélisation et phénomènes réels. A l’échelle d’un bassin versant, la résolution de problèmes inverses en hydrologie implique l’utilisation d’observations télé-détectées avec les satellites actuellement en service. Nos contributions en ce domaine concernent également l’accompagnement scientifique de la future mission satellite SWOT (Surface Waters Ocean Topography CNES/NASA) dédiée à l’observation globale à haute résolution du niveau des enveloppes fluides des surfaces continentales, des océans et des littoraux [2-PPSMxx, 2-GM15].

Bassin de l'Amazone

Conversion de l’énergie hydraulique en énergie électrique par micro-centrales

Actuellement sous-exploitée, la conversion de l’énergie hydraulique en énergie électrique par le biais de micro-centrales recèle un potentiel de production d'hydroélectricité important. Nouveau dans l’équipe, ce sujet de recherche est abordé de manière expérimentale et numérique pour affiner les performances énergétique d’une vis d’Archimède et proposer un prototype de cylindre oscillant. L’étude de la vis d’Archimède utilisée en tant que turbine a permis l’émergence de plusieurs nouveaux modèles  : modèle théorique liant les performances de la vis à sa géométrie et aux paramètres d’écoulement [2-DTGGxx, 8-Dell15], modèle équivalent des débits de fuite, modèle du contrôle aval induit par une vis sur un cours d’eau. Le prototype de cylindre oscillant, récupération d’énergie basée sur les vibrations induites par vortex, est en cours de développement [5-DFML15].

Modélisation d'une vis d'Archimède