Soutenance de thèse : Etienne DUREUIL

Caractérisation du mélange des eaux en aval de la confluence de deux écoulements à surface libre de densité différente

Doctorant : Etienne DUREUIL

Laboratoire : LMFA - Laboratoire de Mécanique des Fluides et Acoustique

École doctorale : ED n°162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

Cette thèse porte sur l'étude des confluences d'écoulements à surface libre en présence d'une différence de densité entre les deux affluents, due à la température ou à la turbidité. Cette configuration est présente dans les confluences naturelles de rivières, tout comme à l'aval des rejets thermiques des centrales nucléaires. Prédire la distribution spatiale de température ou de concentration dans le cours d'eau à l'aval de la confluence est crucial pour de nombreuses applications (habitat écologique, usages de l'eau, etc.). Cela nécessite d'identifier et d'évaluer le processus de mélange dominant. En effet, trois processus sont susceptibles de contribuer au mélange transverse: la diffusion turbulente causée par le cisaillement entre les deux écoulements, la diffusion turbulente causée par la rugosité du fond, et la dispersion causée par le développement d'un courant de gravité transverse. Lorsque la diffusion turbulente domine, l'interface de mélange séparant les deux masses d'eau reste verticale et s'épaissit progressivement vers l'aval. Lorsque la dispersion causée par le courant de gravité l'emporte, l'interface de mélange s'incline jusqu'à devenir horizontale, l'affluent le moins dense passant au-dessus de l'affluent le plus dense. Deux nombres adimensionnels, le nombre de Froude
densimétrique FrD et le paramètre y (ou r tenant compte du signe) permettent de prédire le processus de mélange dominant suivant les conditions
d'écoulement (vitesses, profondeurs, densités). La première partie de la thèse consiste en une analyse approfondie des données de la littérature et une classification des différentes configurations disponibles entre un mélange dominé par la diffusion turbulente, par la dispersion ou par les deux simultanément. Les résultats obtenus ne permettent néanmoins pas de tirer de conclusions très claires, ni d'identifier des valeurs seuils pour les deux nombres adimensionnels étudiés. Pour affiner les conclusions, 17 campagnes de terrain sur 4 sites d'étude ont été menées sur le Rhône: deux confluences avec un affluent majeur et deux confluences avec un rejet d'eau chaude de centrale nucléaire. Ces mesures à haute résolution de
vitesse, température et conductivité au sein de sections transverses ont permis de proposer des critères de classification des situations de mélange, et d'affiner les valeurs seuils des nombres adimensionnels: 3-5 pour FrD et 0,4-0,6 pour r. Afin d'explorer une plus grande gamme de conditions hydrauliques, une étude expérimentale en canal à géométrie simplifiée a été menée sur une confluence à angle nul. Pour 83 configurations
d'écoulement, le champ de température de surface est observé grâce à une caméra thermique, tandis qu'un modèle semi-empirique est appliqué pour prédire la position de l'interface entre les deux affluents. Cette approche couplée permet d'identifier le processus de mélange dominant (diffusion turbulente ou dispersion). Les valeurs seuil obtenues pour les deux nombres adimensionnels sur fond lisse sont nettement supérieures à
celles établies à partir des cas de terrain, suggérant une influence de la rugosité de fond dans les processus de mélange. L'utilisation d'un graphique 2D regroupant FrD et r est dorénavant recommandé pour prédire le processus de mélange dominant en confluence en prenant en compte les trois processus de mélange. Cette méthode pourra servir d'aide à la paramétrisation du mélange dans les modèles 1D aux grandes échelles spatiales et
temporelles.