présentation - Travaux des élèves

présentation
Il s’agit dans cette étude de comprendre le phénomène de génération des courants et de
la turbulence dans les couches marines de surface. Il met en jeu des mécanismes complexes,
conséquences du double effet qu’a le vent à l’interface eau-atmosphère :
 d’entraînement de l’eau par cisaillement
 déformations de la surface par les vagues. Mouvements moyens,
ondes et turbulence interagissent pour créer une configuration
encore mal comprise.
Tout au long de cette thèse sont développées des analyses sur les transferts dans la couche de
surface avec un modèle bidimensionnel vertical
L’analyse et les essais de modélisation des courants et de la turbulence sous les vagues de
vent sont ici centrés sur deux manifestations des interactions dynamiques à l’interface eauatmosphère :
 Le niveau élevé de l’intensité turbulente au sommet de la couche de surface
 La présence éventuelle des circulations de Langmuir qui désignent
l’organisation du champ moyen de vitesse en rouleaux d’axes parallèles à
la direction du vent.
Jusqu’à maintenant, ces deux aspects de la dynamique de la couche de surface ont été étudiés
séparément :
 les modèles de transferts turbulents verticaux dans la couche de surface
ignorent en général l’effet d’éventuels courants secondaires.
 les approches expérimentales ou théoriques des circulations de Langmuir se
fondent sur des représentations très simples de la diffusion turbulente
(constante).
Cette étude cadre avec un des objectifs du Programme National d’Océanographie Côtière
(P.N.O.C), qui est de mieux maîtriser les processus de mélange vertical dans la colonne d’eau
parallèlement à des observations sur des chantiers en Manche et en Méditerranée.
Le champ d’application : systèmes aquatiques de surface. La modélisation hydrodynamique
est un des outils qui permettra de mieux comprendre et prévoir leur comportement du point de
vue chimique, biochimique et biologique. Cette étude est particulièrement liée à l’explication
des phénomènes d’eutrophisation, de transport d’oxygène, de nourriture…
Ces travaux de recherche font suite à de nombreuses études expérimentales, théoriques et de
modélisation. La suite logique de ces travaux passait par la modélisation de l’écoulement en
combinant les deux phénomènes.
Ce travail s’inscrit dans la continuité de ces travaux, et en particulier de ceux de Araujo qui a
mis en place une étude de l’écoulement sous les vagues de vent mais avec une modélisation
de la turbulence à l’aide d’une viscosité turbulente constante. L’objectif central de ce travail
est donc de proposer une analyse et une modélisation de la couche mélangée de surface qui
prennent en compte simultanément le caractère spécifique de la turbulence et l’existence des
écoulements secondaires.
description
L’action du vent à l’interface eau-atmosphère à un double effet :
 celui de générer des déformations de la surface, par des vagues
 celui d’entraîner l’eau.
Ainsi, le vent soufflant avec une certaine intensité et pendant un temps donné, va générer une
onde dominante qui va nous servir à la représentation de l’état de la houle, par une vague
périodique, monochromatique définie par trois paramètres :
a : l’amplitude, K : le nombre d’onde,  : la pulsation intrinsèque
Les hypothèses de fluide incompressible, inviscide et irrotationnel permettent d’obtenir au
premier ordre les solutions d’Airy. Le déplacement associé aux trajectoires des particules
issues de cette solution est appelé courant de Stokes.
Le vent est aussi à l’origine d’effets juste sous l’interface tels que les courants. La plupart des
modèles s’appuient sur l’analogie avec les profils de vitesse sur une paroi. La difficulté réside
alors dans la détermination de la viscosité turbulente. Il s’agit ici d’intégrer les différentes
interactions à l’interface eau-atmosphère.
On peut regretter ici que l’auteur n’est pas clairement défini la contribution des trois
mouvements au phénomène global, à savoir faire apparaître une décomposition claire comme
il suit :
~
U  U  U  U'
Avec U représentant respectivement la somme de la vitesse moyenne, de la vitesse orbitale et
de la vitesse turbulente.
De plus, l’origine de la vorticité verticale de signes opposées n’est pas explicitée. L’auteur
aurait pu insister sur le rôle du déferlement dans l’apparition de ce phénomène.
Le défaut commun à toutes les approches est d’analyser la turbulence sous les vagues en
ignorant le rôle des écoulements secondaires.
cellules de langmuir
L’idée est que la vorticité longitudinale apparaît à la suite de la création de vorticité verticale
de signes opposées, qui sont à leur tour « tordues » par le courant de Stokes des vagues de la
surface. Le schéma présente le mécanisme de génération des circulations de Langmuir :
Problèmes et objectifs de modélisation
PROBLEMES : La plupart des modèles numériques


découplent l’étude de la turbulence et de l’écoulement secondaire
ne prennent en compte la turbulence qu’à l’aide d’une fermeture basée sur
le concept de viscosité turbulente constante.
OBJECTIFS :
 combiner
 (k,)
Le modèle (k,) présente l’avantage d’obtenir une viscosité turbulente variable dans l’espace.
On peut tout de même ici émettre une critique quant au choix du modèle de turbulence (k,).
Ce modèle ne va influencer que globalement les profils de vitesse, alors que le choix d’un
modèle L.E.S aurait permis de faire varier la viscosité turbulente suivant la topologie et
d’appréhender le problème de la turbulence de manière plus locale, le modèle L.E.S
considérant les effets instationnaires.
Le modèle utilisé
Les valeurs d’entrée du modèle sont fournies par l’analyse des données expérimentales sur les
courants et la turbulence sous les vagues de vent. Elles permettent d’identifier
 les différents paramètres de forçage pour le modèle
 la confrontation de notre modèle à ces données.
Analyses des données expérimentales
Le but est ici de recenser et d’analyser les données les données disponibles qui
guideront les expériences de modélisation et de simulation numérique. En l’état des
connaissances sur la couche mélangées de surface, il était primordial de faire une bonne
collecte de données pour pouvoir s’appuyer sur ces observations expérimentales qui guideront
les simulations numériques.
Expériences Ontario Stanford Toulouse Marseille. Chacun de ces sites présentaient des
aspects spécifique.
A la vue des expériences On peut regretter ici que seules les expériences ayant eu lieu à
Toulouse apportent des résultats sur l’écoulement secondaire dont cette étude vise une
meilleure connaissance.
Dans cette approche, le vent et les vagues sont considérées comme des « forçages
extérieurs ». Il est donc important de connaître ces paramètres de forçage qui servent
d’entrées au modèle numérique.
On obtient alors suivant les lieux où se sont déroulées les expériences et pour différentes
valeurs de la vitesse du vent, les paramètres d’entrée. Il apparaît une bonne cohérence entre
toutes ces expériences.
Ceci constitue une base de données.
Néanmoins, l’auteur semble manquer cruellement de mesures sur l’écoulement
secondaire pour pouvoir lors de sa simulation, maîtriser le rôle des mouvements secondaires
dans l’organisation de la turbulence sous les vagues de vent. Cependant, il a pu s’appuyer sur
ces données pour, d’une part définir les conditions aux limites, d’autre part pour discuter les
hypothèses de la modélisation. On peut ici regretter que l’auteur n’ai pas procédé aux
expériences nécessaires à l’élargissement de son catalogue de données concernant
l’écoulement secondaire, expériences qu’il aurait pu définir selon les besoins de sa simulation.
De plus, les valeurs d’entrée de son modèle que sont ki et  i sont asservies à la qualité des
mesures. Celles-ci jouent donc un rôle primordial quant à la qualité du modèle, elles
demandent donc une attention toute particulière.
CONCLUSION
Cette étude permet d’apporter de nouvelles indications pour la modélisation des
transferts verticaux dans les couches marines. Elle insiste sur le fait que l’on ne peut ignorer
l’effet du transport advectif de l’écoulement secondaire sur le comportement de la couche
mélangée.
Le problème de la compréhension et de la description de ces écoulement n’est cependant pas
réglé. De nouvelles études fondamentales pourraient être menées afin d’affiner la
compréhension du phénomène.
Du point de vue des applications environnementales, le sujet semble relativement complet. On
pourrai tout de même mettre en œuvre des études traitant du transport sédimentaire ou des
processus chimiques en relation avec les résultats proposés par cette thèse.
Il nous paraît important aussi de souligner que si l’on vise des applications pratiques de cette
étude, le problème thermique doit être intégré à l’hydrodynamique.
Pour terminer, on pourrait imaginer comme prolongement de cette étude, une intégration des
hypothèses proposées, à des codes tels que ARTEMIS (module de TELEMAC) pour aboutir à
des résultats plus précis concernant le déferlement.