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Écoulement secondaire dans les rivières: influence sur le transport de quantité de mouvement et de soluté.

11/07/2014

IPGP - Îlot Cuvier

13:00

Soutenances de thèses

Amphithéâtre

Hugo CHAUVET

Dynamique des fluides géologiques (DFG)

L'écoulement d'une rivière peut générer des circulations secondaires perpendiculaires à sa direction principale. L'effet acoustique Doppler permet de mesurer ces circulations lentes sans perturber l'écoulement. Sur une portion rectiligne de la Seine, nous utilisons un profileur acoustique (ADCP) placé sur un radeau. Ce dispositif nous permet de mesurer la vitesse moyennée en temps au travers de la section à partir des deux faisceaux alignés avec l'écoulement principal. Ces mesures révèlent des courants secondaires organisés en cellules de recirculation périodiques, dont le sens de rotation est alterné. Leur taille est comparable à la hauteur d'eau et leur vitesse est de l'ordre de 1% de celle du courant principal. L'observation de ces cellules, inédite en rivière, rappelle les mesures de Blanckaert (2010) en laboratoire. Ces observations sont complétées par de nouvelles mesures dans une rivière plus petite en utilisant un profileur acoustique unidirectionnel fixé à la surface de l'eau. À nouveau, ces mesures révèlent la présence de cellules comparables à celles observées dans la Seine. Leur influence sur le transport de quantité de mouvement est ensuite étudiée dans le cadre des équations de Saint-Venant. Cette approche permet de reproduire le profil de vitesse au travers de la section. Nous montrons ainsi que ces cellules constituent un mécanisme de transfert dont l'intensité est comparable à celle du transfert turbulent. À l'aide de simulations numériques, nous étendons ce résultat à la dispersion de matière dissoute par une série de cellules contra-rotatives. Enfin, nous discutons les différents mécanismes susceptibles de former ces cellules de recirculation. --- River flow can induce secondary currents orthogonal to the main flow direction. The acoustic Doppler effect allows measurements of these weak currents without modifying the flow. In a straight reach of the Seine river we use an acoustic Doppler current profiler (ADCP) mounted on a small raft to evaluate the time-averaged velocity in the river cross-section. These measurements reveal secondary flows organised in periodic counter-rotative pair of cells with a size comparable to the water depth and a velocity of about $1%$ of the streamwise velocity. The observation of these cells in rivers is reminiscent of previous laboratory measurements made by Blanckaert (2010). We complement these observations with new measurements in a smaller river using an unidirectional acoustic profiler fixed at the water surface. These measurements reveal secondary flow cells similar to the ones observed in the Seine river. Their influence on momentum transfer is then investigated in the framework of the shallow-water approximation. This approach is used to reproduce the streamwise velocity profile over the cross-section. We show that secondary flow cells transport as much momentum as turbulence in rivers. Then, using numerical simulations, we extend this result to the dispersion of solutes by a series of counter-rotative cells. We discuss finally the origins of these recirculation cells.