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Structure et modélisation d'écoulements à surface libre dans des canaux de rugosité inhomogène

Zaouali, Sahbi (2008) Structure et modélisation d'écoulements à surface libre dans des canaux de rugosité inhomogène. (Structure and modeling of free surface flows with bed roughness variation.)

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Résumé

Cette thèse développe une analyse expérimentale et numérique de la structure d'un écoulement turbulent pleinement développé, dans un canal rectangulaire à ciel ouvert dont le fond présente un fort contraste transversal de rugosité. La rugosité est créée par des barrettes parallélépipédiques collées, à espaces réguliers, sur la zone centrale du canal, les parties latérales étant lisses. Les mesures par Anémométrie Laser Doppler à deux composantes ont conduit à une description détaillée des champs du tenseur de Reynolds et de vitesses moyennes, et notamment des écoulements secondaires. Après avoir déterminer l'évolution transversale de la fonction de rugosité, de la position de l'origine de la loi logarithmique et du frottement pariétal, on a analysé et interprété les lois de similitude des composantes du tenseur de Reynolds dans la zone de paroi et sous la surface libre. La simulation numérique exige la mise en œuvre de modèles du tenseur de Reynolds capables de restituer l'anisotropie de la turbulence et son amplification près de la paroi et de la surface libre. Après une étude comparative de plusieurs modèles, nous avons adapté une version algébrique du modèle de Gibson et Rodi (1989). L'analyse des prédictions du modèle dans des configurations de référence, tel que l'expérience de Hinze (1973) et nos mesures, montre qu'il simule correctement l'évolution transversale et verticale des profils des contraintes turbulentes ainsi que la structure des écoulements secondaires. Ce modèle est exploité pour proposer de nouvelles fermetures sur le frottement à la paroi et les termes dispersifs, liés au transport advectif, des modèles intégrés de saint venant. ABSTRACT : This study presents experimental and numerical results of the fully developed flow in a straight, rectangular open channel with a sharp transverse variation of the bottom roughness. The contrast of roughness is created by parallelepiped barrettes glued with regular spaces in the central zone of the bed wall, the other parts of the bottom being smooth. Using a two component laser Doppler anemometer, we obtained a detailed description of the Reynolds tensor and mean velocity fields, including the secondary flows structure. From these measurements, the transverse evolutions of the roughness function, the origin of the logarithmic law and the friction velocity were determined. It was so possible to analyse the wall laws of the Reynolds tensor components and their behaviour near the free surface. The calculation of such flow requires second-order closure models of the Reynolds stresses that predict correctly the turbulence anisotropy and the secondary flows. The algebraic stress model developed in this work is issued from the Reynolds stress transport model of Gibson and Rodi (1989). The analysis of predictions of reference cases, as the experiments of Hinze (1973), and our measurements shows that the stress model used in this work permits to predict correctly the transverse evolution of the vertical profiles of the Reynolds stress tensor components and the secondary flow structure. This model allows us also to suggest new closures of the local bottom friction and the transverse dispersion due to the turbulence and the advection by the secondary flows, in the 2D-Saint Venant equations

Autre établissement (co-tutelle):Ecole Nationale d'Ingénieurs de Tunis (Tunisie)
Département ou laboratoire:Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse - IMFT (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Masbernat, Lucien et Moussa, Mahmoud
Mots-clés:Ecoulements à surface libre - Turbulence - Anisotropie -Ecoulements secondaires - Paroi rugueuse - Lois de parois - Modélisation - Fermetures au second ordre - Dispersion. KEYWORDS : Free surface flow - Turbulence - Anisotropy - Secondary flows - Rough wall - Wall laws - Modelling - Second-order closures - Dispersion
Sujets:Hydraulique > Mécanique des fluides
Hydraulique > Sciences de la Terre et environnement
Déposé le:05 Juin 2008

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