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Publié par | profil-zyak-2012 |
Publié le | 01 décembre 2007 |
Nombre de lectures | 65 |
Langue | Français |
Poids de l'ouvrage | 6 Mo |
Extrait
Th`ese
pr´esent´ee pour obtenir le titre de Docteur de
l’Institut National Polytechnique de Toulouse
Sp´ecialit´e : Dynamique des fluides
Etude du d´eferlement d’une onde de Stokes
et de la dissipation associ´ee par simulation
directe
Marie DUVAL
Soutenance de la th`ese le 14 D´ecembre 2007 a` l’Institut de M´ecanique des Fluides de
Toulouse devant le jury compos´ede:
Mr C. KHARIF Professeur, Ecole Centrale de Marseille Rapporteur
Mr M. MORY Professeur, UPPA Rapporteur
Mr S. ABADIE Maˆıtre de conf´erences, UPPA Membre
Mr H. BRANGER Charg´e de Recherches, IRPHE Membre
Mr O. THUAL Professeur, INPT Membre
Mr D. ASTRUC Maˆıtre de conf´erences, INPT Directeur de th`ese
Mr D. LEGENDRE Professeur, INPT Directeur de th`ese
◦N d’ordre : 2572AManue...3
Remerciements
Tout d’abord, je souhaite remercier les membres du jury, garants de la qualit´ede
mon travail. Je remercie Mathieu Mory, professeur a` l’Universit´edePauetdesPays
de l’Adour et Christian Kharif, professeur `a l’Ecole Centrale de Marseille, pour avoir
accept´e de rapporter sur mes travaux de th`ese. Je souhaite souligner la pertinence de
leurs remarques et de leurs questions ainsi que la minutie avec laquelle ils ont ´evalu´ema
th`ese.
Je remercie aussi l’ensemble du jury pour avoir accepter de participer `amasoute-
nance, ainsi que Philippe Frauni´e, professeur `a l’Universit´e du Sud Toulon Var, pour
l’int´erˆet port´e`a mes travaux, mˆeme s’il n’a pu ˆetre pr´esent le jour de ma soutenance.
Je voudrais exprimer ma reconnaissance et mes profonds remerciements `a Dominique
Astruc et Dominique Legendre, encadrants de ma th`ese. Merci pour m’avoir fait confiance,
pour votre engagement dans ce projet, pour vos encouragements et votre pr´esence tout
au long de ces quatre ann´ees, surtout durant les derniers mois difficiles de r´edaction. J’ai
appr´eci´e notre collaboration et la compl´ementarit´e des approches entre le sp´ecialiste JA-
DIM et le sp´ecialiste de la dynamique littorale, mˆeme si les comp´etences respectives ne se
r´esument absolument pas en ces termes. Merci les Dominiques!
Je remercie aussi les personnes qui m’ont acceilli a` l’IMFT et qui m’ont permis d’ef-
fectuer ma th`ese dans les meilleures conditions.
Tout d’abord, je tiens a` remercier les membres du groupe OTE, principalement Olivier
Eiff, Fr´ed´eric Moulin, Serge Font , Gr´egory Dhoye et Karine Spielmann que j’ai le plus
cˆotoy´es. Un grand merci pour leurs encouragements durant ma th`ese. Je souhaite exprimer
ma gratitude `a Sylvie Regade pour sa gentillesse, son investissement et sa disponibilit´e.
Un clin d’oeil au service informatique et plus particuli`erement `a Gilles Martin, Yan-
nick Exposito et Valery Verhoeven, interlocuteurs fr´equents durant ma th`ese. Merci pour
leur r´eactivit´e face aux nombreux probl`emes rencontr´es et entre autre pour les ´episodes
Chausson !
Le service cosinus a aussi ´et´e d’un grand secours : Annaig Pedrono pour les d´ebeugages
JADIM et ses coups de main en programmation, Alexeı Stoukov pour ne pas avoir trop¨
grond´equanta`l’utilisation que j’ai pu faire de Matlab et Herv´e Neau pour les r´eponses
a` mes questions sur Tecplot.
Merci ´egalement a` Muriel Sabater pour la reprographie de ce manuscrit mais aussi
pour son efficacit´e.
Parall`element `a mes travaux de th`ese, j’ai eu la chance de faire de l’enseignement. Je
remercie particuli`erement Olivier Thual, pour m’avoir accueilli dans le d´epartement de
m´ ecanique de fluides de l’ENSEEIHT, pour m’avoir fait confiance et m’avoir encourag´e.
Je remercie aussi tous les enseignants avec qui j’ai pu collaborer pendant ces quatres an-
n´ ees, ainsi que Maryse Andr´e, sans qui le d´epartement hydraulique ne tournerait pas aussi
bien. Enfin, je remercie l’´equipe p´edagogique du d´epartement de m´ecanique de l’Universit´e
Paul Sabatier dans laquelle j’ai aussi appr´eci´e enseigner. Merci G´erald Bardan et Patrick
Huelmo !
Mon passage `a l’IMFT restera pour moi un grand souvenir tant du cˆot´e professionnel
qu’humain. Je souhaite remercier les personnes que j’ai pu rencontrer pendant mes ann´ees
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sur Toulouse.
Tout d’abord, Nora, ma copine de gal`ere. Mˆemesiladistancenouss´epare, depuis la
fin de notre DEA, j’ai pass´e d’excellents moments `a discuter sciences, de nos bobos de
th`ese et `a refaire le monde.
Un grand merci `a Franc et Karine se fut un r´eel plaisir de partager avec vous le bureau
123 de CASTEX. Merci pour toutes nos discussions et les moments partag´es dans le cadre
ou non de l’IMFT.
Dans la suite chronologique, je tiens `a remercier Laurent, aussi collocataire de bureau.
Merci pour avoir support´emeshumeursetpouravoir´et´emonpunching ball. Merci pour
avoir ´et´el`a et pour m’avoir fait penser a` autre chose pendant les phases difficiles.
Pour finir, je souhaite remercier les deux minettes Emma et Julie, qui m’ont accompa-
gn´e pendant ma derni`ere ann´ee. J’ai eu plaisir `a partager des moments s´erieux ou de folie.
Elles m’ont permis de survivre au sens propre comme figur´e`alar´edaction du manuscrit.
Merci les filles pour votre patience, vos encouragements et tout le reste. S’il faut en retenir
une chose : ”maintenons les traditions” et ”vive les vendredis soir au Griffon”.
Un grand merci aussiaF` ranckpoursapr´esence et nos discussions qui m’ont beaucoup
aid´e.
Un ´enorme merci aussi `a ma famille, mes proches, les copaings Toulousaing et les
copains Bretons qui m’ont suivi et t´emoign´e leur soutient durant ces quatres ann´ees et
quejevaisappr´ecier maintenant de pouvoir voir un peu plus.
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R´ esum´e
Le travail pr´esent´e concerne l’´etude num´erique de l’´evolution d’une onde de Stokes.
Cette ´etude s’inscrit dans la compr´ehension de la transformation de l’´energie de la houle
parleprocessusded´eferlement et des transferts `alasurfacelibre.
L’approche Volume Of Fluid utilis´ee, consiste `adiscr´etiser les ´equations de Navier-
Stokes sur un maillage fixe en volume fini. Deux phases fluides sont prises en compte par
le taux de pr´esence calcul´e par une m´ethode de capture de front.
Une ´etude param´etrique est men´ee en faisant varier la cambrure initiale de l’onde de
Stokes et la valeur du nombre de Reynolds. La distinction entre les r´egimes d´eferlant et
non-d´eferlant observ´es, permet d’´etablir un crit`ereded´eferlement en fonction des para-
m` etres de l’´etude. Diff´erents r´egimes de d´eferlement des ondes sont mis en ´evidence et
nomm´es : d´eferlement glissant, d´eferlement plongeant superficiel, d´eferlement plongeant
englobant et d´eferlement plongeant renversant. Ils sont d´ ecrits en terme de dynamique
spatio-temporelle du taux de pr´esence, des champs de vitesse et de vorticit´e. Une carto-
graphie de ces diff´erents r´egimes dans l’espace des param`etres (cambrure et nombre de
Reynolds) est pr´esent´ee.
Apr`es validation du calcul de la dissipation, on montre que la dissipation totale pour
des ondes non-d´eferlantes suit un mod`ele de diffusion ´equivalent. Dans les cas d´eferlants,
l’´evolution temporelle de l’´energie m´ecanique totale suit trois phases de d´ecroissance (pr´e-
d´ eferlement, pendant le d´ eferlement et post-d´eferlement) et un temps caract´eristique de
d´ eferlement est d´efini en fonction des param`etres du probl`eme. La dissipation d’´energie
pendant le d´ eferlement est ´evalu´ee et exprim´ee en fonction des param`etres du probl`eme.
Pendant le d´ eferlement, chaque extrema de l’´evolution temporelle de la dissipation
totale est reli´e`aun´evennement dissipatif sur les champs spatio-temporels du taux de
dissipation. Ces champs spatio-temporels montrent les m´ecanismes dissipatifs, diff´erents
en fonction des r´egimes de d´eferlement. Une seconde estimation de la dissipation par le
d´ eferlement est propos´ee `a partir de l’´evolution temporelle de la dissipation totale et est
en accord avec la premi`ere estimation.
Enfin, des transform´ees de Fourier spatiales de l’´energie m´ecanique totale mettent en
´evidence la g´en´eration de petites ´echelles pendant le d´eferlement et qu’aucune ´energie
n’est stok´ee aux petites ´echelles. Cependant, la difficult´e de la simulation directe pour d´e-
crire les phases de m´elange air/eau apr`es d´eferlement, souligne la n´ecessit´e de l’utilisation
d’un mod`ele de sous-maille diphasique turbulent pour d´ecrire cette phase.
Mots Cl´es : Simulation directe, d´eferlement, onde de Stokes, dissipation
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0Table des mati`eres
1INTRODUCTION 5
2 LE DEFERLEMENT DES ONDES DE SURFACE 7
2.1 Introduction................................... 7
2.2 Mod`