CGRG Bibliography of Canadian Geomorphology
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Author : Buffin-Belanger, T.
Date : 2001.
Title : Structure d'un ecoulement turbulent dans un cours d'eau à lit de graviers en présence d'amas de galets.
Publication : These de doctorat, Université de Montréal.
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Abstract
La turbulence des écoulements représente une composante encore mal connue de la dynamique fluviale. Or, elle est cruciale à la description de cette dynamique. En effet, elle est liée aux processus du transport des sédiments, au développement des formes du lit des rivières et elle constitue une réponse à la résistance qu'offre le lit au mouvement de l'eau. Ainsi, il importe de comprendre la structure turbulente des écoulements pour mieux décrire et prédire l'évolution du lit des rivières mais aussi pour mieux estimer les vitesses moyennes de leur écoulement. Nos connaissances sur la structure turbulente des écoulements sont cependant trop fragmentaires pour bien établir les rôles qu'elle joue dans la dynamique fluviale. Ceci peut s'expliquer en partie parce que les travaux qui ont eu lieu dans les rivières n'ont pas atteint le niveau de détails des études faites en laboratoire pour la caractériser et la comprendre. Pour combler des lacunes dans nos connaissances sur la turbulence des écoulements en rivière, les objectifs de la recherche sont de: (1) caractériser les structures turbulentes à grande échelle dans un cours d'eau à lit de graviers; (2) mesurer l'effet d'un amas de galets sur la structure turbulente d'un écoulement ayant un nombre de Reynolds élevé; (3) décrire les interactions entre les structures à grande échelle et les structures d'échappement développées à l'aval d'un amas de galets; et (4) déterminer l'effet de la hauteur d'eau et de la vitesse moyenne d'un écoulement sur la turbulence en périphérie d'un amas de galets. La thèse s'organise autour d'un chapitre de contexte et de cinq articles de recherche. Les articles de recherche se basent sur des mesures de vitesse à haute résolution spatiale et temporelle et sur la visualisation de l'écoulement en rivière et en laboratoire. Le premier article présente une caractérisation détaillée de la structure d'un écoulement turbulent sur un lit de gravier. Nos résultats confirment la présence de structures turbulentes à grande échelle sous la forme de pulsation de forte et de faible vitesse. Le second article décrit l'effet d'un amas de galets sur la structure turbulente d'un écoulement en rivière. Nous avons privilégié la cartographie détaillée de paramètres turbulents en amont et en aval d'un amas de galets. Les résultats sont synthétisés en un modèle où se retrouvent cinq régions dynamiques : accélération, recirculation, échappement, rattachement et résurgence. Les structures d'échappement et la région de résurgence contribuent de façon marquée aux échanges de quantité de mouvement. Le troisième article discute des dynamiques identifiées dans les deux premiers articles et les intègre à l'échelle d' un tronçon de rivière. Dans le quatrième article, une visualisation en simultané avec des mesures de vitesses de l'écoulement mène à un modèle dynamique où les manifestations de l'échappement sont dictées par le passage des structures à grande échelle : des structures d'échappement classiques se développent suite au passage d'une structure à grande échelle de faible vitesse alors que des structures d'échappement étendues surviennent suite au passage d'une structure à grande échelle de vitesse élevée. Le dernier article présente une cartographie de la turbulence à l'aval d'un amas de galets pour différentes conditions d'écoulement. Cette cartographie révèle un ajustement complexe de la zone de recirculation à l'aval d'un amas de galets aux changements de la profondeur et de la vitesse d'un écoulement. On y décrit également la contribution marquée de la composante latérale à l'énergie cinétique turbulente à l'aval de l'amas de galets. L'apport et l'originalité de cette thèse s'expriment par des quantifications détaillées d'écoulements turbulents à nombre de Reynolds élevé; par une décomposition de la complexité de l'écoulement qui mène à des modèles inédits de l'effet d'un amas de galets sur la structure d'un écoulement turbulent et des interactions entre la structure ambiante de l'écoulement et les régions turbulentes associées à l'amas de galets; et par des techniques d'analyse et de représentation novatrices de la turbulence. Ces éléments soutiennent la thèse voulant que la nature des écoulements turbulents sur lit de graviers peut-être décrite par des mécanismes propres aux structures turbulentes dominantes et par l'identification des interactions entre ces structures. Cette thèse contribue ainsi à notre compréhension de la structure des écoulements sur les lits de graviers en milieu naturel et soulève plusieurs implications de cette dernière dans la dynamique fluviale. Les structures turbulentes à grande échelle génèrent des fluctuations temporelles de la force tractrice impliquée dans le transport des sédiments alors que les amas de galets sont des foyers d'une grande variabilité spatiale de cette dernière. Ces résultats ont des répercussions dans notre compréhension de la dynamique du transport des sédiments, dans le développement des formes sur le lit des rivières et également dans la caractérisation des micro-habitats fluviaux.
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