Étude expérimentale et numérique des écoulements à surface libre en présence d'obstacles émergés et faiblement submergés

Selon le Ministere de la Transition Ecologique et Solidaire, les inondations sont le principal risque naturel en France. Du fait du dereglement climatique, les inondations extremes deviendront plus frequentes. Les personnes et les biens, i.e. habitations, installations industrielles, doivent donc etre proteges contre ces crues pour lesquelles les donnees sont tres rares voire inexistantes. Lorsque l'on passe d'une crue faible a une crue extreme, l'extension spatiale de l'inondation en lit majeur varie fortement. La nature des obstacles rencontres varie : vegetation basse, arbres, habitations... Ces obstacles ou macro-rugosites hydrauliques peuvent etre emerges, ou faiblement immerges. Le but de ce travail de these est d'analyser les processus physiques dominants associes a des ecoulements de crues extremes en presence d'obstacles emerges ou faiblement submerges. Cette these s'organise en deux parties : une partie experimentale et une partie numerique. La partie experimentale porte sur l'exploration, dans un canal de laboratoire, de la structure verticale du profil de vitesse et des effets geometriques lies a la configuration etudiee representant une plaine d'inondation urbanisee avec des taux d'immersion de $D/h = a 0,42 ; 0,93 ; 0,98$ et $1,48$ ($D$ etant la hauteur d'eau et $h$ la hauteur de l'obstacle). Des mesures ADV et PIV des vitesses moyennes et des fluctuations turbulentes ont montre que les proprietes de l'ecoulement changent notablement selon que les ecoulements sont emerges ou faiblement submerges. Les interactions entre le detachement tourbillonnaire, la surface libre, les obstacles et la rugosite de fond sont etudiees. La partie numerique analyse differents types de modelisation classiquement utilises pour simuler des evenements de crue. Le cas experimental de la premiere partie de these sert de reference. D'abord, un modele analytique base sur l'ecriture du bilan de quantite de mouvement au niveau d'un volume hydraulique elementaire permet de considerer differentes modelisations de la resistance globale a l'ecoulement d'obstacles en regime uniforme. Un premier modele simple integre la resistance a l'ecoulement du au frottement de fond et aux obstacles dans un meme terme de type « frottement~». Un second modele decompose en deux parties la resistance a l'ecoulement~: un frottement de fond et une resistance due aux obstacles representee par un terme de trainee. L'obstruction a l'ecoulement sera alors representee par un terme de porosite. L'analyse porte sur la pertinence d'utiliser les coefficients de frottement ou de trainee calibres pour l'ecoulement avec le plus faible debit pour simuler des ecoulements a fort debit et en particulier la transition de l'emergence a la submergence des obstacles. Ensuite, les obstacles seront representes explicitement dans le cadre d'un modele « Saint-Venant » bidimensionnel. La convergence en maillage est etudiee et une analyse comparative des resultats experimentaux et simules est menee. De plus, L'influence de la repartition geometrique des obstacles sur le profil vertical de la vitesse moyenne longitudinale est etudiee avec une modelisation 3D- LES utilisant Code_Saturne. Les resultats experimentaux serviront de cas de reference pour la validation. Au terme de cette seconde partie de these, des recommandations seront emises pour modeliser de facon pertinente ces ecoulements au regard d'objectifs operationnels.