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Introduction de l’ouvrage :
Diffusion
Illustration de couverture :L’ancien barrage du Couesnon.
Photo : Ph. Unterreiner, Ingénieur en Chef des Ponts, lors de la Mission Mont Saint-Michel qu’il a dirigée.
Remerciements à F. Verger, Professeur à l’ENS.
LES ÉDITIONS DE L’ÉCOLE POLYTECHNIQUE
Hydrodynamiquede
l’environnement
Olivier Thual
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Mécanique
Olivier Thual
Olivier Thual est professeur des Universités à l’Institut National Polytechnique de Toulouse (INPT) et professeur chargé de cours à l’École Polytechnique (X). Ancien élève de l’X, ses travaux de recherche passés et actuels portent sur la mécanique des fluides géophysiques à Météo-France, au CERFACS puis à l’ENSEEIHT et à l’IMFT.
L’ouvrage s’adresse aux élèves des grandes écoles scientifiques et aux étudiants des uni-versités dont le cursus intègre un enseignement de mécanique des fluides orienté vers les sciences de l’environnement.
L’ouvrage regroupe, dans une formulation abordable et simplifiée, les concepts de base utiles pour les métiers de l’ingénieur ou du chercheur tournés vers la mécanique des fluides appliquée à l’environnement. Ses neuf chapitres peuvent être lus indépendam-ment les uns des autres, même s’il existe une progression dans leur enchaînement.
La première partie débute par un rappel ou un premier contact avec la mécanique des fluides, avec la définition de la charge hydraulique et la modélisation des écoulements souterrains. La modélisation de la turbulence est ensuite abordée et appliquée aux calculs de perte de charges.
La deuxième partie couvre, de manière simplifiée, les notions principales de l’hydraulique fluviale : courbes de remous, équations de Saint Venant, ondes de crues, ressauts hydrau-liques stationnaires ou instationnaires.
La troisième partie aborde le domaine de l’hydrodynamique marine sous l’angle de la dynamique des ondes de surface. L’accent est mis sur la dispersion, la réfraction, la diffrac-tion et la réflexion de ces ondes, qu’il s’agisse de la houle à l’échelle d’un port ou d’une plage ou des ondes de marées à l’échelle du globe.
ISBN 978-2-7302-1564-0
9 782730 215640
Titre : Hydrodynamique de l’environnement
Auteur : Olivier THUAL
Editeur : Editions de l’Ecole Polytechnique
Annee : 2010
2
Table des matieres
Introduction 7
I MECANIQUE DES FLUIDES 15
1 Ecoulements incompressibles 17
1 Cinematique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2 Lois de conservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3 Fluides newtoniens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2 Ecoulements potentiels 49
1 Perte de charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2 Milieux poreux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3 Ecoulements souterrains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3 Turbulence et frottement 75
1 Modelisation turbulente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2 Profils de vitesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3 Diagramme de Moody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3
4 TABLE DES MATIERES
II HYDRAULIQUE FLUVIALE 105
4 Hydraulique a surface libre 107
1 Charge hydraulique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
2 Charge specifique et impulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
3 Courbes de remous . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5 Ondes de crues 131
1 Equations de Navier-Stokes a surface libre . . . . . . . . . . . 133
2 Derivation des equations de Saint-Venant . . . . . . . . . . . . 136
3 Dynamique des ondes de crues . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6 Intumescences et ressauts 157
1 Equations de Saint-Venant 1D . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
2 Ondes de detente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
3 Ondes de compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
III HYDRODYNAMIQUE MARINE 185
7 Ondes de surface 187
1 Generation des ondes de surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
2 Dispersion de la houle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
3 Problemes aux conditions initiales . . . . . . . . . . . . . . . . 197
8 Refraction de la houle 213
1 Proprietes des ondes de surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
2 Trace de rayons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
3 Transport de l’energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
TABLE DES MATIERES 5
9 Seiches et marees 241
1 Phenomenes de reflexion et de diffraction . . . . . . . . . . . . 243
2 Modelisation de la maree . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
3 Ondes d’inertie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
Exercices supplementaires 273
Licences des figures 318
Bibliographie 319
Index 321
6 TABLE DES MATIERES
Avant-propos
Cet ouvrage a ete developpe dans le cadre de la troisieme annee de la formationd’ingenieur de l’Ecole Polytechnique. Il repond a un double objectif :
– Explorer plusieurs problemes concrets de mecanique des fluides environne-mentale pour en degager des concepts de base utiles pour l’ingenieur ou lechercheur.
– Assimiler la demarche de modelisation en mecanique des fluides pour com-prendre ou maıtriser le milieu naturel.
L’ouvrage est structure en trois parties et neuf chapitres qui peuvent etre lusindependamment les uns des autres.
Chaque chapitre se termine par un formulaire recapitulatif des resultats es-sentiels, une liste des notations ainsi que des exercices corriges permettantd’assimiler le cours. Des exercices supplementaires sont proposes a la fin del’ouvrage. Un certain nombre de documents complementaires sont disponiblesa l’adresse electronique suivante :
http://thual.perso.enseeiht.fr/see/index.htm
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8 Avant-propos
Introduction
L’eau est a la base de toute vie sur Terre. La description du cycle de l’eau(voir Figure 1) fait appel a de nombreuses disciplines ou sous-disciplines :thermodynamique, physicochimie, biologie, mecanique du solide, sociologie ...et mecanique des fluides. Ce dernier point de vue est aborde dans cet ouvrageen privilegiant le point de vue de l’hydraulique continentale et cotiere.
Fig. 1 – Le cycle de l’eau. Schema USGS.
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10 Introduction
La figure 1 resume les caracteristiques principales du cycle de l’eau. Les grandeslignes de la circulation generale de l’atmosphere et des oceans, qui gouvernentau premier ordre le transport de l’eau, sont decrites dans de nombreux ou-vrages pedagogiques (voir par exemple [4]). Au-dela de la description du cyclede l’eau, il est important de prendre en compte le changement climatique ob-serve et prevu qui en perturbe le fonctionnement et le fait passer au centredes preoccupations de l’homme et des industries qui en dependent ou dont ildecoule.
L’evolution du climat du siecle passe et du siecle a venir est decrite dans lesrapports quadriennaux du “Groupe Intergovernemental d’Etude du Climat
Fig. 2 – Changements de temperature, du niveau des mers et de la couvertureneigeuse dans l’hemisphere Nord. Rapport IPPC 2007.
Introduction 11
(GIEC)”, ou “Intergouvernmental Panel on Climate Change (IPCC)” [1]. Lafigure 2 montre que la temperature moyenne du globe a augmente de 0.75 ◦Cen un siecle et continue de croıtre de 0.1 a 0.2 ◦C par decennie. Le niveau desmers a augmente d’environ 20 cm et continuera sa progression pendant dessiecles, par inertie, bien au-dela d’une eventuelle stagnation de la concentrationdes gaz a effet de serre. La couverture neigeuse du globe a recule de 10% etcontinuera a se resorber jusqu’a la disparition de nombreux glaciers.
Les simulations numeriques de plusieurs modeles climatiques independantsmontrent en effet (voir figure 3) que la temperature globale continuera aaugmenter de 3 ◦C en un siecle si aucune mesure n’est prise pour reduirel’emission des gaz a effet de serre. La prevision du changement de regime desprecipitations est l’un des exercices les plus difficiles de la modelisation clima-tique. La figure 4 montre que les precipitations diminueront jusqu’a 20% dansles zones arides tandis qu’une augmentation du meme ordre de grandeur dansles regions temperees est prevue en hiver.
Fig. 3 – Moyennes des multi-modeles et fourchettes estimees du rechauffementen surface. Rapport IPPC 2007.
12 Introduction
Fig. 4 – Simulation de la repartition des modifications des precipiations d’icila fin du XXIe siecle. a) Hiver. b) Ete. Rapport IPPC 2007.
Fig. 5 – Projections et coherence des simulations concernant les variationsrelatives du ruissellement d’ici la fin du XXIe siecle. Rapport IPPC 2007.
Le debit des fleuves suit cette tendance, comme le montre la figure 5, la di-minution de la pluviometrie etant souvent amplifiee par l’augmentation del’evaporation. La diminution des ressources en eaux dans certaines regions etl’augmentation des crues dans d’autres regions (ou les memes) va modifierdrastiquement l’hydrologie continentale. L’elevation du niveau de la mer vachanger sensiblement l’erosion des cotes par la houle.
Introduction 13
Le present ouvrage n’aborde que les aspects specifiques de la mecanique desfluides que sont le ruissellement de surface, l’hydraulique des rivieres, l’ecoule-ment de l’eau souterraine, le stockage d’eau douce et la dynamique de l’oceandans les regions cotieres. A plusieurs egards, le point de vue de l’ingenieursera privilegie, la comprehension des phenomenes etant motivee par les ame-nagements qui permettent la maıtrise de l’eau.
Face aux bouleversements du climat, l’ingenieur est confronte a de nouveauxdefis. Les metiers de l’ingenieur concernes par le cycle de l’eau et la mecaniquedes fluides sont nombreux. Une meilleure maıtrise des ressources en eau seranecessaire en reponse a sa rarefication et a l’augmentation de la demande. Unegestion optimisee des eaux souterraines au meme titre que sa protection contrela pollution devient indispensable. L’accroissement de la frequence et de l’am-plitude des inondations necessitera de nouveaux amenagements hydrauliqueset un effort accru de modelisation. L’augmentation du niveau de la mer etde la frequence des tempetes necessitera de nombreux amenagements pour laprotection du littoral. Enfin, la recherche de nouvelles sources d’energie, en
Fig. 6 – Crues et inondations. Photo USGC.
14 Introduction
Fig. 7 – Erosion des cotes. Photo USGC.
remplacement des energies fossiles, est de nature a developper la technologiepermettant de recuperer l’energie de la houle et des marees.
Plan de l’ouvrage
La premiere partie de cet ouvrage presente les outils de base de la “mecaniquedes fluides” utiles pour aborder l’hydrodynamique de l’environnement. Le cha-pitre 1 est un cours de base sur la mecanique des milieux continus debouchantsur les equations de Navier-Stokes qui decrivent les ecoulements incompres-sibles de fluides newtoniens. Deux exemples d’applications introduisant l’hy-draulique en charge et a surface libre concluent ce chapitre. Le chapitre 2s’interesse aux ecoulements potentiels dont le champ de vitesse est le gra-dient de la charge hydraulique, definie a partir de la pression et de l’altitude.Ce type d’ecoulement se rencontre dans les milieux poreux et de nombreuxexemples d’hydraulique souterraine illustrent ce chapitre. Le chapitre 3 abordela modelisation de la turbulence et la parametrisation du frottement sur desparois en fonction des grandeurs moyennes d’un ecoulement. Ce chapitre est
Introduction 15
illustre par l’exemple des pertes de charge dans des ecoulements en conduitesfermees.
La deuxieme partie presente les principes de base de l’“hydraulique fluviale”.Le chapitre 4 traite de l’hydraulique a surface libre dans le cas des ecoulementsstationnaires et graduellement varies. Les concepts de charge hydraulique, deressauts hydrauliques et de courbes de remous sont introduits. Le chapitre 5aborde le cas des ecoulements instationnaires en derivant tout d’abord lesequations de Saint-Venant a partir des equations de Navier-Stokes a surfacelibre. Les notions de courbes caracteristiques et de ressauts mobiles sont alorsintroduites sur le modele des ondes de crues. Le chapitre 6 applique ensuiteces outils au cas des ondes de detente et de compression modelisees par lesequations de Saint-Venant. Les relations de saut associees a ce modele sontexplicitees en ne retenant que les ressauts dont la dissipation d’energie estpositive.
La troisieme partie aborde les concepts de base de l’“hydrodynamique ma-rine”. Le chapitre 7 traite de la generation et de la dispersion des ondes desurface a l’aide des equations de Navier-Stokes a surface libre linearisees. Leschamps oscillants sont detailles et la notion de vitesse de groupe est presenteea travers l’evolution des conditions initiales du systeme lineaire. Le chapi-tre 8 traite de la refraction de la houle par une bathymetrie inhomogene. Lesnotions de trace de rayons et de conservation de l’energie sont illustrees a tra-vers l’exemple des ondes de surface, mais leur presentation peut s’appliquera tout type d’ondes. Le chapitre 9 complete l’etude des ondes de surface enevoquant les phenomenes de reflexion et de diffraction. Un apercu general dela modelisation des ondes de maree est donne, motivant ainsi la presentationdes oscillations de la surface libre en presence de rotation.
L’ensemble des notions abordees dans cet ouvrage devrait permettre a l’inge-nieur ou au chercheur de disposer des concepts de base pour apprehenderla plupart des problemes de l’hydrodynamique de l’environnement et pourapprofondir ses connaissances dans ce domaine.
16 Introduction
Bibliographie
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