Thèses Hydée

Sujets 2013:

 

 

"ETUDE NUMERIQUE ET EXPERIMENTALE DE L'ECOULEMENT TURBULENT AU SEIN DES PASSES A POISSONS A FENTE VERTICALE. ANALYSE DE L'ECOULEMENT TRIDIMENSIONNEL ET INSTATIONNAIRE."

"RHEOLOGIE DES SEDIMENTS COHESIFS ET IMPACTS DES EFFORTS HYDRODYNAMIQUES SUR LES EFFETS  D'EROSION"

"MODELISATION DU MOUVEMENT ET ESTIMATION DE LA PRESSION PAR BASES DE POLYNOMES ORTHOGONAUX "

 

"Etude numérique et expérimentale de l'écoulement turbulent au sein des passes à poissons à fente verticale. Analyse de l'écoulement tridimensionnel et instationnaire."

 

Le candidat doit avoir un diplôme d’ingénieur, Master ou équivalent dans le domaine de la mécanique des fluides ou de l’hydraulique. La connaissance de la simulation numérique d’écoulements sera également un avantage. Pour plus d'information et soumission des candidatures (CV et lettre de motivation), veuillez contacter:

 

CALLUAUD Damien (maître de conférences)

PINEAU Gérard (maître de conférences HDR)

e: damien.calluaud@univ-poitiers.fr

e: gerard.pineau@univ-poitiers.fr

t: +33 (0)5 49 49 69 43

t: +33 (0)5 49 49 69 44

 

Partout dans le monde, les rivières sont de plus en plus fragmentées par des barrages artificiels. L'une des principales causes de la diminution des populations de poissons est, certainement, la présence de ces obstacles entravant le mouvement des populations dans les rivières. Parmi les nombreuses options disponibles, les passes à poisson à fentes verticales constituent les dispositifs les plus utilisés pour assurer l’atténuation des impacts des barrages sur la libre circulation des poissons. Afin d’augmenter leur efficacité biologique, surtout vis-à-vis des espèces de petites tailles, des recherches sur la compréhension et la modélisation des conditions hydrodynamiques dans ces dispositifs sont nécessaires afin de proposer des solutions techniques pour l’optimisation des formes et l’aménagement des dispositifs. A partir des outils de caractérisation et de modélisation des conditions hydrodynamiques, des solutions techniques basées sur l’implantation de cylindres dans les bassins ont été proposées pour des configurations élémentaires de passes à poissons. Actuellement, lors des implantations des dispositifs, d’autres modifications structurelles sont proposées tant au niveau de la rugosité des fonds que de la présence de seuil dans les échancrures ou, envisagées, tel l’ajout de structures souples dans les bassins.

En utilisant le dispositif expérimental existant à l’Institut Pprime, les outils de métrologie et de caractérisation des conditions hydrodynamiques, l’action mise en œuvre devra permettre de caractériser les modifications hydrodynamiques induites par la présence de rugosité sur le fond des bassins, d’identifier les changements induits par la présence d’un seuil de fond dans l’échancrure, de tester d’autres solutions techniques sous la forme de structures souples positionnées dans les bassins. L’ensemble des données expérimentales, couplée à des simulations numériques 3D de l’écoulement à surface libre permettront de caractériser finement l’écoulement afin de proposer des solutions technologiques pour le dimensionnement et l’optimisation de leur fonctionnement. L’accent sera mis sur l’analyse du caractère tridimensionnel de l’écoulement dans les passes à poissons à fentes verticales en présences de rugosités, de seuils et de structures souples et sur l’étude détaillée de l’instationnarité de l’écoulement générées par ces modifications structurelles.

 

 

La finalité du travail devra permettre d’évaluer l’incidence biologique potentielle de ces modifications vis-à-vis du franchissement piscicole en se basant sur la connaissance détaillée de l’écoulement et de proposer, le cas échéant, des principes de dimensionnement.

 

Mots clés: Eco-hydraulique – Ecoulement Instationnaire – Modélisation physique – PIV - Simulation numérique 3D – Surface libre – Ecoulement tridimensionnel

 

"Rhéologie des sédiments cohésifs et impacts des efforts hydrodynamiques sur les effets d’erosion"

 

Les sédiments cohésifs présentent des propriétés rhéologiques complexes liées à la nature même de la composition des sédiments. Les propriétés viscoplastique, voire de thixotropie, de tels matériaux sont souvent rencontrées, mais rarement prise en compte dans le transport sédimentaire. En effet, sous sollicitations hydrodynamiques la réaction du sédiment à l’arrachement va être influencée et guidée par son propre comportement. Il est donc nécessaire de relier les efforts hydrodynamiques aux contraintes d’érosion. Nous proposons, dans cette étude, de nous intéresser à ce point en nous basant sur la réalisation de sédiments cohésifs modèles transparents possédant des propriétés viscoplastiques et de thixotropie. Une première étape consistera à caractériser et à modéliser le comportement des suspensions, puis dans un second temps, si possible, de voir l’impact d’efforts hydrodynamiques sur le comportement des sédiments modèles. Cette étude repose donc, pour la première phase, sur des mesures de rhéométrie afin de réaliser les sédiments modèles qui consisteront en des suspensions de particules non colloïdales dans des fluides viscoplastiques. Pour la seconde phase, nous analyserons le comportement de ces sédiments soumis à des efforts hydrodynamiques dans un canal sédimentaire par mesures optiques. Le but de cette thèse est, dans un premier temps, de formuler, de caractériser et de modéliser les propriétés rhéologiques de sédiments modèles transparents à base de matériaux viscoplastiques (carbopol, laponite). Nous ferons varier les propriétés rhéologiques de ces sédiments modèles en modifiant la concentration, la densité et la taille des particules non colloïdales ajoutées. Dans un second temps, nous caractériserons l’instationnarité de l’écoulement dans un canal hydro-sédimentaire sur un fond fixe. Nous utiliserons, pour ce faire, des moyens de mesures optiques tels que la PIV, la stéréo PIV ou bien encore la PIV résolue en temps afin de décrire au mieux l’écoulement turbulent générés. Enfin, les mêmes écoulements seront appliqués sur les sédiments modèles formulés. L’utilisation des techniques de mesures optiques ainsi que la connaissance du comportement de ces sédiments nous permettront alors d’avoir des informations locales sur ce qu’il se passe de manière simultanée dans le sédiment et dans la colonne d’eau au-dessus. Le (la) candidat(e) devra de préférence avoir des connaissances dans le domaine de la mécanique des fluides et des notions en rhéométrie seraient appréciées. De plus, compte tenu du caractère expérimental de cette thèse une forte motivation pour les mesures est recommandée.

 

"MODELISATION DU MOUVEMENT ET ESTIMATION DE LA PRESSION PAR BASES DE POLYNOMES ORTHOGONAUX "

 

Ce travail s'inscrit dans le cadre d'une collaboration entre l'équipe Hydée de l'institut P' et l'équipe ICONES de l'institut XLIM-SIC. L'équipe Hydée développe depuis de nombreuses années des techniques de mesures expérimentales afin d'étudier les écoulements turbulents et/ou présentant des structure tourbillonnaires complexes. Les techniques utilisées pour obtenir des champs de vitesses instantanés bidimensionnels ou tridimensionnels sont la PIV (Vélocimétrie par Imagerie de Particules) ou la Tomo-PIV. Elles fournissent respectivement des séquences de l'ordre du millier de champs de vitesses instantanés 2d et 3d. Bien qu'intéressante, l'information de vitesse instantanée ne constitue qu'une étape de prétraitement dans l'étude d'un écoulement. Il s'agit ensuite de s'intéresser aux structures cohérentes ou tourbillonnaires de l'écoulement. Pour cela, un certain nombre de méthodes, dites de post-traitement, ont été développées pour détecter ces structures à partir des champs de vitesses instantanés. Certains auteurs ont défini des critères fondés sur l'étude du tenseur du gradient de vitesse (critère lambda), d'autres recherchent des minima de pression dans le plan perpendiculaire à l'axe du tourbillon (critère lambda2), d'autres définissent les tourbillons comme des zones où le taux de rotation est supérieur au taux de cisaillement (critère Q). C'est pourquoi l'utilisation conjointe du tenseur gradient de vitesses et de la pression semble à envisager. Plusieurs techniques d'estimation du champ de pressions à partir du champ de vitesses ont été développées (équation de poisson, intégration du gradient de pression). De même, les bases de polynômes orthogonaux sont utilisées pour modéliser des images, ou des champs de vitesses. Dans sa thèse Martin Druon (2009) a proposé une méthode originale permettant de modéliser, de façon globale, tout type de mouvement par des combinaisons linéaires de polynômes orthogonaux. Il obtient ainsi un modèle réduit qui modélise les mouvements complexes présents dans les écoulements. Cette approche fournit un modèle analytique des champs de vitesse à partir desquels il est tout à fait envisageable d'en tirer l'expression analytique des champs de pressions. Par ailleurs, Olivier Kihl (2011) a proposé une extension multi-échelles des travaux de Martin Druon. Il a ainsi pu mettre en œuvre plusieurs algorithmes de détection multi-échelles des tourbillons.

 

 

Les objectifs de ce travail sont les suivants. Dans un premier temps, il s'agit modéliser les champs de vitesses mesurés expérimentalement par PIV (Particule Image Velocimetry) et/ou tomography PIV par des bases de polynômes orthogonaux puis d'utiliser ce modèle pour calculer les champs de pressions associés. Les résultats obtenus seront ensuite comparés aux techniques d'estimation du champ de pression de la littérature. Dans un deuxième temps, les champs de vitesses et les champs de pressions seront utilisés afin de localiser les tourbillons dans les écoulements. Des mesures de l’écoulement autour d’un profil en mouvement et/ou des écoulements à surface libre permettront de valider les méthodes développées.

 

Laboratoires:

 P' UPR 3346

 XLIM-SIC UMR 7252

 

Mots-clés : Modèles réduits, Polynômes orthogonaux, estimation de la pression, détection de tourbillons

Contact pour informations complémentaires

Laurent DAVID, Tél: 05-49-49-69-44, Mél: Laurent.David_at_univ-poitiers.fr

Benoît TREMBLAIS, Tél: 05-49-49-65-90, Mél: Benoit.Tremblais_at_univ-poitiers.fr

Liens du bas