Impact hydrodynamique d’une végétation allongée et battante

Cette thèse est réalisée en partenariat avec l’OFB. L’un des enjeux de leurs travaux de recherche concerne l’amélioration des modèles prédictifs des débits hydrauliques et sédimentaires dans les rivières, afin d’en assurer une gestion durable. Parmi les fonds complexes rencontrés en milieux naturels, la végétation peut occuper une part importante de certaines sections de cours d’eau. Il est reconnu que ces végétations ont un impact hydrodynamique considérable sur l’écoulement et réduisent fortement son efficacité hydraulique. Par conséquent, elles affectent aussi le transport de matière solide, en augmentant le piégeage des sédiments en suspension et en réduisant le flux de sédiments érodés par l’écoulement. Parmi ces végétations, les structures flexibles et élancées ont été peu caractérisées dans la littérature, or, ces morphologies sont largement représentées au fond des rivières.

Afin de caractériser l’impact hydrodynamique de ce type de végétation, nous construisons un modèle synthétique de végétation dense, allongée et flexible, constitué de bandes plastiques transparentes encastrées sur des plaques de PVC fixées au fond d’un canal hydraulique. Des mesures fines du champ de vitesses à travers cette végétation sont réalisées par vélocimétrie par images de particules (PIV), et des images ombroscopiques des filaments battants sont enregistrées.

La forte reconfiguration de la végétation forme un couvert dense induisant un blocage marqué des échanges verticaux de quantité de mouvement. Ce blocage conduit à une séparation de la structure de l’écoulement en deux couches caractéristiques. La première, dite de sillage, est située près du fond où les filaments encastrés se courbent fortement sous l’action du courant, générant une dynamique recirculatoire et dispersive à l’échelle du motif, et une réduction notable de la traînée. La seconde, dite de battement, correspond à la zone où la végétation interagit avec les grandes structures turbulentes et où les filaments dissipent une partie du flux turbulent en traînée.

Nous montrons que cette dynamique turbulente complexe s’accompagne d’une modification importante de la structure de la couche limite turbulente en comparaison de végétations rigides. Du fait de la séparation des échelles caractéristiques de traînée associées respectivement à la base encastrée et aux filaments battants, nous proposons une modélisation de la traînée par couche. Sur la base de l’équilibre vertical 1-D des flux de quantité de mouvement, ces lois de traînée végétale sont intégrées dans un modèle prédictif de la résistance, adapté au cas des végétations élancées et flexibles.