Les courants de gravité, écoulements issus de la présence d’un contraste de densité dans un fluide ou de la présence de fluides de densités différentes, sont rencontrés dans de nombreuses situations naturelles ou industrielles. Quelques exemples de courants de gravité sont les avalanches, les marées noires et les courants de turbidité. Certains courants de gravité peuvent représenter un danger pour l’homme ou l’environnement, il est donc nécessaire de comprendre et de prédire leur dynamique. Cette thèse a pour objectif d’étudier l’évolution de courants de gravité de masse fixée, et notamment l’influence d’une forme initiale non-axisymétrique sur la dynamique, effet jusque-là peu abordé dans la littérature. Pour cela, une large gamme de paramètres est couverte, incluant le rapport de masse volumique entre le fluide ambiant et le fluide dans le courant, le rapport de forme initiale, la forme de la section horizontale de la colonne de fluide (circulaire, rectangulaire ou en forme de croix), le nombre de Reynolds (couvrant jusqu’à 4 ordres de grandeur) et la nature du fluide lourd (salin ou chargé en particules). Deux campagnes d’expériences ont été menées et complétées par des simulations numériques hautement résolues. Le résultat majeur est que la propagation du courant et le dépôt de particules (lorsque particules il y a) sont fortement influencés par la forme initiale de la colonne de fluide. Dans le cas de la colonne initialement rectangulaire le courant se propage plus vite et dépose plus de particules dans la direction initialement de plus courte dimension. Ce comportement non-axisymétrique est observé dans une large gamme des paramètres étudiés ici. Pourtant les modèles analytiques existants et notamment le modèle dit de boîte (box model) qui prédit avec succès le comportement des courants de gravité/turbidité dans les cas plan et axisymétrique ne sont pas capables de reproduire ce phénomène. C’est pourquoi une extension du box model a été développée ici, et est en mesure de décrire la dynamique de courants de gravité de masse fixée dont la forme initiale est arbitraire. Le cas plus général d'un courant de gravité évoluant sur un plan incliné a été abordé et une dynamique intéressante a été observée. / Gravity currents are buoyancy driven flows that appear in a variety of situations in nature as well as industrial applications. Typical examples include avalanches, oil spills, and turbidity currents. Most naturally occurring gravity currents are catastrophic in nature, and therefore there is a need to understand how these currents advance, the speeds they can attain, and the range they might cover. This dissertation will focus on the short and long term evolution of gravity currents initiated from a finite release. In particular, we will focus attention to hitherto unaddressed effect of the initial shape on the dynamics of gravity currents. A range of parameters is considered, which include the density ratio between the current and the ambient (heavy, light, and Boussinesq currents), the initial height aspect ratio (height/radius), different initial cross-sectional geometries (circular, rectangular, plus-shaped), a wide range of Reynolds numbers covering 4 orders of magnitude, as well as conservative scalar and non-conservative (particle-driven) currents. A large number of experiments have been conducted with the abovementioned parameters, some of these experiments were complemented with highly-resolved direct numerical simulations. The major outcome is that the shape of the spreading current, the speed of propagation, and the final deposition profile (for particle-driven currents) are significantly influenced by the initial geometry, displaying substantial azimuthal variation. Especially for the rectangular cases, the current propagates farther and deposits more particles along the initial minor axis of the rectangular cross section. This behavior pertaining to non-axisymmetric release is robust, in the sense that it is observed for the aforementioned range of parameters, but nonetheless cannot be predicted by current theoretical models such as the box model, which has been proven to work in the context of planar and axisymmetric releases. To that end, we put forth a simple analytical model (an extension to the classical box model), well suited for accurately capturing the evolution of finite volume gravity current releases with arbitrary initial shapes. We further investigate the dynamics of a gravity current resulting from a finite volume release on a sloping boundary where we observe some surprising features.

Les courants de turbidité dans les canyons sous-marins contribuent largement au transfert sédimentaire à travers des marges continentales. L’étude géologique des canyons sous-marins et des systèmes turbiditiques associés a permis des avancées fondamentales dans la compréhension de l’évolution des courants de turbidité.Ces études sont cependant limitées à des interprétations a posteriori, basées sur la répartition des dépôts et des évidences morphologiques. Cette thèse vise à l’application de la modélisation numérique des courants de turbidité, sur la base des processus physiques, à deux canyons sous-marins de la côte Méditerranée Occidentale.Des courants de turbidité liés au chalutage de fond sont modélisés dans le canyon de La Fonera. Les résultats du modèle permettent de spatialiser ce transport; ainsi le modèle peut être un point de départ pour l’identification de zones de pêche au chalut avec un moindre impact. L’absence d’un plateau continental au niveau de Nice a permis une alimentation continue du système turbiditique du Var indépendamment des variations du niveau marin. Ainsi ce système s’avère un laboratoire naturel pour l’étude du contrôle climatique sur l’activité turbiditique. L’influence des forces de Coriolis dans l’évolution spatiale des courants de turbidité et dans la construction de la Ride sédimentaire du Var est modélisée et mise en évidence pour la première fois.La modélisation numérique des courants de turbidité ne peut pas fournir à présent des résultats de qualité prédictive du fait de la quantité limitée d’information disponible pour établir les conditions initiales de l’écoulement qui impactent largement son évolution et dépôts. Malgré ce fait, la modélisation numérique permet d’élargir les interprétations du fonctionnement sédimentaire des canyons étudiés, d’identifier les chemins empruntés par les écoulements et leur dépôt final et de mieux préparer des cibles (mouillages et carottage) lors des campagnes à la mer. / Turbidity currents in submarine canyons are the main contribution for sediment transfer across the continental margins. Geological studies of submarine canyons and associated turbiditic systems for more than 30 years led to an extraordinary breakthrough in the understanding of how turbidite systems evolve. However, these studies remain limited to a posteriori interpretations, based on the distribution of deposits and morphological evidences. The overarching aim of this thesis is to apply a 2DH process-based model to simulate large-scale turbidity currents on two different submarine canyons in the western Mediterranean coast.The work in La Fonera canyon, in the Catalan margin, focuses on the modelling of sediment transport and accumulation resulting from trawling activities on the canyon flanks. The numerical process-based provides a 3D visualization of potential trawling impacts on sediment dynamics. The study represents a starting point for the assessment of the sedimentary impact of bottom trawling in deep continental margins. The present work can help in the identification of trawling areas with lesser impacts. The Var Sedimentary System, located in the vicinity of Nice (France), is connected to the Var River during both low and high-stands and it can be considered as a natural laboratory for the study of the climatic control on the turbiditic activity. The influence of Coriolis forces on the spatial evolution of the hyperpycnal flows and hence in the construction of the Var Sedimentary Ridge (VSR) is evidenced and supported for the first time.The major drawback is the limited amount of information for the necessary initial and boundary conditions; hence modelling results might not be of predictive quality. However, modelling results provide a full-scale vision of the system allowing the identification of sediment pathways and deposition areas on the basis of physical processes and enlarge the present knowledge of the canyons studied. The results obtained may help in the identification of strategic mooring and coring sites to further advance the state of our knowledge on sediment dynamics of the different cases studies.

Le Lac Wabush est un lac constamment influencé par un courant hyperpycnal créé par la décharge de résidus miniers. À l'aide de multiples levés bathymétriques, de données de sismique réflexion ainsi que de données provenant de campagnes d'échantillonnage des sédiments, l'évolution temporelle du Lac Wabush est décrite. L'analyse de ces données a entre autre permis de démontrer l'importance, pour le transport des sédiments, des chenaux sous-marins à la tête desquels une rupture de pente (knickpoint) est présente. L'analyse de plusieurs levés consécutifs permet de retracer l'évolution de ces knickpoints : ils montrent une migration vers l'amont, laquelle serait responsable de la formation de chenaux sous-marins. Les knickpoints sont habituellement décrits comme étant le résultat de forçage tectonique ou d'un changement de niveau de base local. Le contexte du Lac Wabush n'étant pas affecté par ces forçages, les processus responsables de la formation des chenaux, i.e. les knickpoints, ont été étudiés à l'aide d'un modèle physique du lac Wabush. Nos expériences permettent d'expliquer que la raison principale conduisant au développement des knickpoints et des chenaux provient d'un déséquilibre entre l'angle des lits frontaux du delta et l'angle de déposition du courant de turbidité coulant sur ces lits frontaux. Tel que décrit dans la littérature, la migration des knickpoints peut s'expliquer de manière hydraulique par l'érosion via un courant de turbidité. Par contre, nos expériences ont démontré que cette migration pouvait aussi être contrôlée par des instabilités géotechniques. Partant de ce constat, une étude de stabilité de certains knickpoints présents au Lac Wabush a été effectuée, laquelle a permis de démontrer que les glissements de terrain peuvent aussi contrôler, sous certaines conditions, la migration des knickpoints dans un environnement réel. Au lac Wabush, le haut taux de sédimentation, la faible perméabilité des résidus ainsi que la déposition dans un état lâche des résidus dans le lac sont des facteurs pouvant conduire à la liquéfaction statique de ces matériaux, engendrant un recul des knickpoints. En conclusion, il a été démontré que la migration des knickpoints, soit le mode de formation des chenaux sous-marins au Lac Wabush, est donc un phénomène autant hydraulique que géotechnique.