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Ecoulement à surface libre sur fond de rugosité inhomogène

Labiod, Chouaib (2005) Ecoulement à surface libre sur fond de rugosité inhomogène. (Free surface flow on an inhomogeneous rough bottom.)

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Abstract

Dans ce travail nous présentons les résultats des travaux expérimentaux et de modélisation relatifs à des écoulements à surface libre en canal rectangulaire dont le fond présente un contraste de rugosité suivant la transversale. Le contraste de rugosité est créé par un système de barrettes parallélépipédiques collées périodiquement au centre du canal, les autres parties adjacentes du fond étant lisses. La configuration de rugosité choisie permet de créer un fort gradient transversal du frottement pariétal, à l’origine des écoulements secondaires dans le plan perpendiculaire à la direction principale de l’écoulement. Au moyen d'un anémomètre Laser Doppler on a déterminé l'évolution transversale des champs de vitesse moyenne et des composantes du tenseur de Reynolds. Ensuite on a déduit la distribution transversale du frottement pariétal, de la position de l'origine de la loi logarithmique et de la fonction de la rugosité. L'interprétation de l'évolution des profils verticaux des fluctuations longitudinales et verticales s'appuie sur deux solutions analytiques d'un modèle algébrique dérivé du modèle de transport du tenseur de Reynolds de Gibson et Rodi (1989). La première solution basée sur l’hypothèse d’équilibre production-dissipation est établie dans la zone de paroi et la seconde, développée prés de la surface libre, est basée sur l’hypothèse de « quasiéquilibre diffusion-dissipation ». Des simulations numériques des écoulements parallèles et non parallèles réalisées à l’aide d’un modèle de transport du tenseur de Reynolds et un modèle k-e anisotrope sont ensuite commentées. Les premiers résultats sont encourageants même si des améliorations doivent être apportées pour mieux rendre compte des interactions près de la surface libre et de la paroi latérale. ABSTRACT : We present new experimental results and, as well analytical as numerical modelling of free surface flows developing on a bottom with transverse gradient of roughness. The contrast of the bottom roughness is created by parallelepipedal barrettes glued in the central zone of the bed wall on a third of the channel width. This configuration of the roughness permits to create a strong transverse variation of the wall shear stress, at the origin of secondary flows in a plan perpendicular to the principal direction of the flow. We determined the transverse evolution of the mean velocity and of the Reynolds tensor components, using a laser Doppler anemometer. Then we obtained the transverse distribution of the wall shear stress, the origin of the logarithmic law and the roughness function. The interpretation of the evolution of the vertical profiles of longitudinal and vertical fluctuations is based on two analytical solutions obtained from an algebraic stress model derived from the Reynolds stress model of Gibson and Rodi (1989). The first solution based on the production-dissipation equilibrium hypothesis is developed in the wall zone and the second, expanded in the vicinity of the free surface, is based on the «diffusion–dissipation quasi-equilibrium» hypothesis. Numerical simulations of parallel and non-parallel flows were realised using a Reynolds stress model and an anisotropic k-e model then commented. The first results are promising although improvements could be introduced in order to better take into account the interactions close to the free surface and the side-wall.

Department or laboratory:Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse - IMFT (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Masbernat, Lucien
Uncontrolled Keywords:Écoulement à surface libre – Turbulence - Fond rugueux - Écoulements secondaires - Lois de paroi – Modélisation - Fermetures au second ordre - Simulations numériques. KEYWORDS : Free surface flow – Turbulence – Rough bottom – Secondary flows – Wall laws – Modelling – Second-order closures – Numerical simulations.
Subjects:Hydraulics > Earth science and environment
Deposited On:28 October 2005

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