Comment générer des courants à partir des vagues ? En s'inspirant de la nature et particulièrement des pompes à impédance, deux systèmes permettant de pomper avec des vagues sont étudiés : la pompe à résonance et les vagues au dessus d'une plaque submergée. Dans cette étude, l'origine de l'écoulement est reliée au terme de transport de masse des vagues dans la couche de surface. Il correspond à la quantité de masse déplacée par les vagues entre la crête et le creux au cours d'une période. Ce terme peut-être amplifié par des changements de bathymétrie et par résonance. Cela permet de créer des zones d'aspiration et donc de générer un courant. Le problème est modélisé par une simple description linéaire potentielle. Un modèle avec dissipation est aussi présenté afin de prendre en compte les effets de dissipation dus au déferlement et au frottement visqueux. Le modèle est comparé à des expériences et des simulations. Il permet de prédire les fréquences intéressantes et la dynamique globale. Ceci permet de comprendre l'origine d'un phénomène de pompage par vague, mais aussi de dimensionner le système à partir d'une théorie simple / How to generate currents from water waves? Inspired by nature original way of pumping in the embryonic heart, two wave pumps are studied in the present thesis: the resonance wave pump directly inspired by the Liebau's pump and the waves above a submerged plate pump. The origin of the observed circulation is linked to the wave mass transport term: it corresponds to the amount of mass advected by the waves in the surface layer. The latter is the domain between the crest and the trough of the waves and is a part of the flow that is not always submerged. It is possible to amplify this surface term by resonance and by varying the bathymetry. The latter enables to generate local suction toward the surface layer and leads to mean circulation. The problem is described using a simple potential theory and a dissipative model is proposed to take into account wave dissipation due to friction and wave breaking. The simplified model is compared to experiments and simulations in both cases. It provides a simple framework to predict the pumps behavior: the interesting frequency range and the strength of the flow. It is also a tool for the design of real life applications

Les eaux françaises présentent un fort potentiel pour des applications hydroliennes. Dans ces zones à forts courants, d'intenses fluctuations de vitesse sont observées dans la colonne d’eau. Elles proviennent essentiellement des variations bathymétriques du fond marin et peuvent avoir un fort impact sur la production d’énergie et la fatigue des turbines. Afin de comprendre la génération de structures tourbillonnaires dans le sillage d’obstacles et de constituer une base de données pour des études numériques, les conditions rencontrées dans le Raz-Blanchard sont reproduites expérimentalement, dans un bassin à houle et à courant, en similitude de Froude et avec un nombre de Reynolds aussi élevé que possible. Dans cette étude, les variations bathymétriques réelles sont représentées à l'aide d'éléments canoniques : un cube, un cylindre, un plan incliné ou des combinaisons des trois. On distingue alors les variations bathymétriques supérieures à la moyenne (obstacle unique) des cas de rugosités moyennes (combinaison d’obstacles). Afin de caractériser le sillage derrière ces obstacles et d'étudier l’évolution de la turbulence dans la colonne d’eau, des mesures PIV et LDV sont réalisées pour différents taux de turbulence de l'écoulement amont. Les résultats montrent que le cylindre seul produit le sillage le plus étendu. Dans ce cas, de larges structures tourbillonnaires, remontant jusqu’à la surface, sont identifiées. Le développement de méthodes de traitement et d'analyse des données permettent de détecter les centres tourbillonnaires et de déterminer les propriétés de ces tourbillons. L'impact du sillage du cylindre sur le fonctionnement d’une hydrolienne tri-pales à axe horizontal est ensuite étudié. Suivant le positionnement relatif de la turbine par rapport à l'obstacle, l'hydrolienne peut subir de grandes amplitudes de chargements liées aux fluctuations de vitesse engendrées par l'obstacle dans l'écoulement. La mesure des efforts sur les pales et du comportement dynamique de la machine permettent de quantifier ces variations de chargements. Elles dépendent des structures tourbillonnaires impactant la turbine et du cisaillement du profil de vitesse. Ces résultats pourront être exploités pour de futures analyses de fatigue de pales ou autres composantes des hydroliennes. / French waters have a strong potential for tidal turbines applications. In these areas of strong currents, intense velocity fluctuations are observed in the water column. They ultimately come from variations in seabed bathymetry and can have a strong impact on tidal turbine energy production and fatigue. In order to understand the turbulent structures generation in the wake of obstacles and to build a data base for future numerical studies, the Alderney Race conditions are reproduced experimentally, in a wave and current tank, in Froude similitude and with a Reynolds number as high as possible. In this study, real bathymetric variations are represented using canonical elements: a cube, a cylinder, an inclined plane or a combination of all three. Cases with bathymetric variations higher than average (obstacle alone) are differentiated from average rugosity cases (obstacles combined). In order to characterize the wake behind these obstacles and to study how turbulence evolve in the water column, PIV and LDV measurements are made for various turbulence rates of the incoming flow. Results show that the cylinder alone produces the most spread out wake. In that case, large scale turbulent structures, rising all the way to the surface, are identified. The development of processing methods and data analysis allows the detection of vortex centres and the determination of their properties. The cylinder wake impact on a tri-bladed horizontal axis turbine behaviour is then studied. Depending on the position of the turbine relative to the obstacle, the turbine can be subject to large amplitude loads due to velocity fluctuations generated by the presence of the obstacle in the flow. Force measurements on the blades and turbine dynamic behaviour characterization allow to quantify those load variations. They depend on the turbulent structures impacting the turbine and the shear in the velocity profile. The results obtained could be exploited for further fatigue analyses on blades or on other tidal turbine components.

Ce travail porte sur l'évolution morphologique des profils transversaux des plages sableuses soumis à l'action de houles irrégulières. L'étude s'appuie sur de la modélisation physique menée dans le canal du LEGI (36 m). L'originalité consiste en l'utilisation d'un sédiment de faible densité permettant de respecter les lois d'échelle et d'obtenir des plages expérimentales en similitude avec des plages observées en nature. Le concept de plage à l'équilibre morphologique pour un climat de houle donné a pu être vérifié et la classification de Wright & Short (1984) est ici raffinée dans le domaine des nombres de Dean intermédiaires (1

Mes travaux de recherche sous la direction du Professeur A. Grovel, ont fait l'objet d'une thèse de doctorat sous le titre : "Modélisation dans un estuaire à marée. Rôle du bouchon vaseux dans la tenue des sols sous marins", soutenue à l'université de Nantes le 10 juillet 1992, devant le jury composé par : M. Bélorgey, C. Larsonneur, J. Chapon, A. Graillot, A. Grovel et P. Jouve.<br /> Depuis 1992, les recherches que je mène se situent dans le cadre de l'hydraulique maritime appliquée aux travaux maritimes. Ces recherches concernent principalement les problèmes d'aménagement portuaire et côtier, car les résultats de celles-ci apportent des éléments de réflexion aux ingénieurs en génie côtier, lesquels doivent tenir compte des contraintes environnementales propres à chaque site dans la conception des ouvrages maritimes. Il se pose alors quatre types de problèmes indissociables :<br />a) l'étude des conditions environnementales locales comprenant la mesure de la houle in situ, l'étude de la marée extrême locale et l'étude des couches sédimentaires mobilisables sous contraintes hydrodynamiques,<br />b) l'étude de l'implantation des ouvrages de protection contre la houle afin d'assurer une navigation en toute sécurité garantie par une modélisation fine de l'agitation portuaire, tenant compte de la houle incidente et des réflexions de la houle par les frontières latérales,<br />c) l'analyse de la stabilité d'ouvrages de génie civil nécessitant une connaissance approfondie de la houle de projet, de la marée, et de la tenue des sols marins,<br />d) l'examen de l'impact sédimentaire causé par les ouvrages de protection sur les problèmes d'ensablement, d'envasement et d'érosion.<br /> Les trois principaux thèmes sur lesquels je travaille actuellement à la Faculté des Sciences et des Techniques de Nantes, sont tous liés aux problèmes décrits ci-dessus ; les deux premiers ont des points communs avec ma thèse de doctorat et le troisième est un thème de recherche que j'étudie depuis 1994. Ces trois thèmes sont :<br />1) les processus sédimentaires des vases,<br />2) les problèmes hydrosédimentaires dans les estuaires et les zones côtières,<br />3) l'agitation portuaire.<br /> Ces thèmes sont développés respectivement dans les chapitres 1, 2 et 3 de ce mémoire, ensuite, les différentes activités liées à la recherche auxquelles j'ai participées depuis 1992 sont décrites au chapitre 4 et finalement les conclusions et perspectives sont présentées.

Les méthodes spectrales sont connues pour leurs propriétés de convergence rapide et de précision. Cependant, leur application à l'hydrodynamique navale reste encore aujourd'hui peu étendue. Le but de ce doctorat est d'étudier les possibilités de leur application à la génération et propagation de houle, dans le cadre de la théorie des écoulements potentiels. <br />Un bilan des différentes approches spectrales employées jusqu'à présent en hydrodynamique navale est d'abord dressé, étayant le choix des techniques développées au cours de ce travail. L'étude des propriétés de ces techniques est ensuite réalisée sur le ‘noyau' de la méthode, i.e. une cuve tri-dimensionnelle de géométrie figée. En particulier, différentes techniques High-Order Spectral sont comparées entre elles et à la méthode directe, et une nouvelle variante est proposée. Des validations sur des cas de lâchers de surface libre et d'oscillations forcées de surface libre sont présentées et confrontées à diverses méthodes.<br />L'approche est ensuite étendue, à partir de ce ‘noyau' et au moyen de stratégies de ‘potentiel additionnel', donnant lieu au développement de divers modèles. Ainsi, des houles non-linéaires sont modélisées à l'aide de doublets tournants instationnaires spécifiquement développés. Des cas de reproduction de signaux temporels cibles à une distance, et de génération et propagation de houle irrégulière sont présentés. De plus, une caractéristique avantageuse d'une telle approche spectrale est exploitée pour proposer des modèles originaux de diffraction autour de corps. Ceux-ci allient une génération de houle par méthode spectrale à des modèles de diffraction en fluide parfait ou visqueux, formulés en changement de variable. Des exemples illustratifs de diffraction de cette houle autour de corps bi- ou tri-dimensionnels sont proposés.<br />Enfin, un modèle original de simulation complète, au second-ordre, du processus de génération et propagation en bassin de houle tri-dimensionnel est réalisé. Il inclut la modélisation de différents batteurs, ainsi qu'un modèle d'absorption, permettant notamment de reproduire les caractéristiques complètes du nouveau bassin de houle de l'École Centrale de Nantes. Ce modèle est validé par comparaison à une solution analytique en régime établi et ses propriétés numériques sont étudiées. L'investigation des ondes libres et leur suppression, ainsi que la caractérisation de zones utiles sont proposées à titre d'application.

Afin de protéger les littoraux maritimes des effets dévastateurs, les digues à talus maritimes sont le plus souvent utilisées. Les dysfonctionnements possibles de ce type d’ouvrage à talus sont la rupture de la carapace conduisant ensuite à la rupture d’ensemble de la structure et les franchissements dépassant le critère de sécurité. L’un des plus utilisé, le modèle semi-empirique de Van der Meer (1987), a été développé pour décrire les conditions de stabilité des digues en enrochements sous l’action de la houle. Ce modèle s’avère incapable de décrire précisément l’influence de la perméabilité réelle du noyau sur la stabilité de la carapace. D’autre, pour une digue, un accroissement du niveau du plan d’eau accompagné par des houles d’intensité accrue va conduire à des aléas de rupture et de franchissement bien supérieurs à ceux prévus lors de la conception de l’ouvrage. Pour le premier modèle physique étudié d’une digue en enrochement naturel, nous avons cherché une relation empirique entre le paramètre P utilisé dans le modèle de VdM et le coefficient de perméabilité Ks réel du milieu poreux constituant le noyau par les deux approches. Le deuxième modèle physique d’une digue en enrochement artificiel est d’étudier différentes solutions de renforcement de digues maritimes existantes vis-à-vis de la remontée du niveau des mers et océans due au changement climatique. Nous validons avec les modèles classiques de prédiction pour le scénario initial de niveau marin et proposons de modifications des formulations existantes pour des scénarios de surélévation du niveau moyen des points de vue du franchissement et de dommage / To protect the devastation on coastal maritime, the slope breakwater are mostly used. The possible malfunctions of this type of slope structure are the damage on armor layer leading to the rupture of the entire structure and the exceeding the safety criterion of overtopping discharge. One of the most used, the semi-empirical model of Van der Meer (1987), has been developed to describe the conditions of stability of armor breakwater under wave attack. This model is unable to accurately describe the influence of the real core’s permeability on the stability of the armor layer. Besides, for a sea dike, an increasing of water level accompanied by intensive swell will lead to the risks of more breakage and wave overtopping than those anticipated in the design of the structure. In the first physical model study of a rubble mound breakwater, we research the empirical relation between the parameter P used in the model VdM and real permeability Ks of porous medium constituting the core layer by two approaches. The second physical model of concrete breakwater is to study the different reinforcement solutions to strengthen the existing sea dikes which face to face the rise in the level of seas and oceans due to climate change. We validate the classical models of prediction for the initial scenario of sea level and propose the modifications of existing formulations in the scenarios of sea elevation from the points of view of damage and overtopping

L’environnement maritime du littoral implique de nombreux processus complexes, mais le manque de données en haute résolution couvrant une large zone sur une longue période est souvent l’obstacle principal à des recherches plus approfondies. Le radar haute-fréquence (HF) est un moyen de faire de la télédétection afin d’obtenir pratiquement en temps réel de l’information sur la surface de la mer et sur une large zone. Ainsi l’étude de l’inversion des paramètres marins à partir de données issues de radars HF est réellement porteuse de sens. Cette thèse fait l’usage d’un jeu de données collectées durant 13 mois par deux réseaux de radar HF à commande de phase pour étudier les caractéristiques de signaux d’échos de la mer, étudier les données à traiter et les méthodes d’inversion, calculer les paramètres de la surface de la mer et évaluer la précision de l’inversion radar des paramètres de la houle.Cette thèse se réfère à l’onde de sol radar HF, dont les ondes radio interagissent avec l’océan du fait de la diffraction de résonance de Bragg. Nous passons en revue l’historique et les applications du radar HF. Nous rappelons les bases de la théorie des ondes électromagnétiques. Nous décrivons les principes d’inversion des courants de surface de la mer, direction du vent et paramètres de houles. La faisabilité de l’inversion de paramètres de houle est examinée. A partir de l’analyse théorique et des études statistiques de nombreux échantillons de données, cette thèse propose une série de méthodes sur le traitement du signal brut et le contrôle de qualité, ce qui inclut la détermination du niveau de bruit, le moyennage des données dans l’espace et le temps, l’identification correcte des pics spectraux, le seuil de largeur de pic, etc. Respectant les caractéristiques de différents processus physiques, les inversions de courant et de vent utilisent des spectres collectés toutes les 20 minutes ; l’inversion des paramètres de houle utilise des spectres moyennés sur 1 heure. Les statistiques des spectres utilisés pour le calcul des paramètres de houle sont présentées pour chacune des stations. Un ensemble de programme efficaces de calculs automatiques avec une complexité algorithme réduite sont développés pour réaliser le traitement et en tirer les paramètres marins.Les vitesses de courants radiales sont obtenues à partir d’une unique station radar. Les champs de vecteurs de courants sont obtenus en combinant chaque station. On montre une année de débit moyen dans la mer d’Iroise, ainsi que le calcul de la vorticité et de la divergence. On étudie un ensemble de données d’un mois du radar SeaSonde de Qingdao. Les schémas de débit moyen, ainsi que la vorticité et la divergence sur un mois sont présentés.La direction relative du vent par rapport à la direction de visée du radar est mesurée à travers le ratio des amplitudes des pics de Bragg. Différents modèles empiriques sont employés pour obtenir la vitesse relative du vent par inversion radar. Les résultats présentés sont en accord avec les estimations prédites par le modèle. Différents modèles de distribution directionnelle sont utilisés pour mesurer le facteur de diffusion pour la mer d’Iroise.Cette thèse se concentre sur l’étude des paramètres de houle. Les résultats sont validés à l’aide de bouées et de données du modèle de vagues (Wavewatch III). L’estimation montre que la précision de la fréquence de houle est très bonne, la précision sur la hauteur significative de houle est très raisonnable et la précision sur la direction absolue de la houle est faible. La cohérence des mesures par chacune des stations radars est vérifiée par comparaison entre les deux. L’utilisation conjointe des échantillons est également prise en charge pour réaliser l’inversion. L’utilisation de deux radars n’améliore pas seulement la précision, mais résout aussi l’ambiguïté de direction relative de houle à partir d’une unique station et donne la direction absolue de vague avec une certaine précision. / Nearshore marine environment contains many complex processes, but the lack of high-resolution data over a large area during a long time is often the primary obstacle to further research. High-frequency (HF) radar is a mean of remote sensing which obtains continuous near-real time sea surface information over a large area. Thus the study of inversion of marine parameters from HF radar data is very meaningful. Thisthesis makes use of a 13-month-long dataset collected by two phased array HF radar to investigate the characteristics of the sea echo signals, study the data processing and inversion methods, compute sea surface parameters and evaluate the accuracy of radarinversion of swell parameters.The thesis refers to the ground wave HF radar, whose radio waves interact with ocean by Bragg resonance scattering. The development history and applications of HF radar is introduced. The basic theory of electromagnetic wave is reviewed. The principles of inversion of sea surface current, wind direction and swell parameters are described. The feasibility of the swell parameter inversion is investigated. Based on theoretical analysis and statistical studies of a large number of samples, the thesis proposes a series of methods on raw signal processing and quality control, including the determination of the noise level, data averaging in space and time, the proper identification of spectral peaks, the peak width threshold, etc. Respecting the characteristics of different physical processes, inversions of current and wind use spectra collected every 20 min; inversion of swell parameters uses one-hour averaged spectra. The statistics of qualified spectra for swell parameter calculations are presented for both stations. A set of efficient, with a reduced computational cost, automatic computing programs are developed to do the processing and derive marine parameters. Radial current velocities are derived from single radar station. Current vector fields are obtained by combination of both stations. One-year mean flow field in the Iroise Sea is shown, together with the computation of vorticity and divergence. A one-month SeaSonde radar dataset off Qingdao is studied. One-month mean flow pattern together with vorticity and divergence are presented.Relative wind direction with respect to radar look direction is measured through ratio of Bragg peaks amplitudes. Different empirical models are employed to derive radar-inverted relative wind direction. Results show reasonable agreement with model estimations. Different directional distribution models are used to measure the spreading factor for the Iroise Sea. The thesis focuses on the study of swell parameters. Results are validated by buoy and wave model (WAVEWATCH III) data. The assessments show that the accuracy of swell frequency is very good, the accuracy of swell significant waveheight is reasonable, and the accuracy of relative swell direction is low.Consistency of measurements by both radar stations is verified by comparison between the two. This also supports the use of double samples to do the inversion. Use of two radars not only further improves the accuracy but also solves the ambiguity of relative swell direction from single station and gives the absolute wave direction to a certain precision. The thesis proposes a constant relative directionmethod to derive swell significant waveheight, based on the studies of radar integral equation and the inverted results of relative swell direction. This proposal is demonstrated to improve the agreement of radar inversion and buoy/model provided significant waveheight and increases significantly the number of samples. The thesis investigates the accuracy of swell parameters obtained by HF radar. Contributions of random errors in radar observations are quantified. Comparing the differences between radar and buoy/model estimations gives assessments of the contribution of radar intrinsic uncertainty and contribution of other factors.

L’objectif de ces travaux de thèse visait une meilleure compréhension et représentation de lapropagation de la houle à travers les milieux poreux afin de proposer une nouvelle caractérisation desouvrages de défense du littoral. L’influence du paramètre de surface spécifique des milieux poreux (surfacede contact fluide-solide), à porosité constante, est mise en évidence sur des écoulements permanents etoscillants forcés par la houle à l’aide de séries d’expériences réalisées en canal et bassin d’essai. Les donnéesexpérimentales obtenues sont comparées à des modèles théoriques basés sur la théorie potentielle des ondeset résolus à travers des méthodes intégrales de raccordement des potentiels aux frontières entre domaines.Les processus de réflexion, transmission et dissipation sont étudiés dans le cas bidimensionnel, les processusde réflexion, réfraction-diffraction et dissipation de la houle sont étudiés dans le cas tridimensionnel. Desphénomènes d’interférence des ondes sont mis en évidence en observant le caractère oscillant du coefficient deréflexion en fonction de la fréquence de la houle dans le cas 2D. A ce processus d’interférences dans la directionde propagation de la houle dans le cas 2D s’ajoute, dans le cas 3D, un phénomène d’interférences dans ladirection transversale à la direction de propagation de la houle. Un comportement linéaire ou quadratique dutaux de dissipation de l’onde à l’intérieur du milieu poreux est observé. Le rôle de la surface spécifique dans ladissipation de l’énergie de l’onde à travers le milieu poreux est mis en évidence. Les régimes d’écoulement etles effets d’échelle sont également discutés. / The purpose of this Ph-D work aims to enhance knowledge and better describe wave propagationthrough porous media in order to propose a new characterization of coastal defense structures. The influenceof the specific surface parameter (fluid-solid contact surface) of porous media is then highlighted at givenporosity for steady and oscillatory wave induced flows with experiment series carried out in either wave tankor basin. Experimental data are compared with theoretical models based on wave potential theory numericalsolved by use of integral matching method at the domains’ boundaries.Wave scattering in the presence of porous structure is studied in both 2D and 3D cases. Interference processwithin the porous media are observed in the 2D case, leading to an oscillatory behavior of the reflection versusfrequency. Additional interference processes are observed in the transverse direction in the 3D case, leadingto a wave behavior strongly dependent on wave dynamics at both sides of the porous structure for resonantcases. Either linear or quadratic behavior of the dissipation is observed within the porous media. The role ofthe specific surface in the dissipation process is demonstrated. Both flow regimes and scale effects are alsodiscussed.

La prévision des états de mer est un domaine d'une extrême importance pour la planification des opérations en mer, pour des raisons évidentes de sécurité des personnels et des matériels mis en oeuvre. Les modèles de prévision actuels reposent sur une description stochastique de l'état de mer et ne prédisent pas de façon déterministe l'évolution de la houle, mais seulement celle des données spectrales dont on tire des grandeurs statistiques moyennes caractéristiques d'un état de mer. Face au besoin réel de données précises à court terme, un modèle de prévision déterministe a été développé dans le but d'améliorer l'efficacité des opérations offshore requérant une connaissance précise de la houle sur un site d'intérêt. Après avoir réalisé une étude théorique permettant de déterminer la zone spatio-temporelle de prévision disponible en fonction des caractéristiques du champ de vagues courant et des conditions de mesure, nous avons élaboré deux procédures d'assimilation de données variationnelles afin de combiner au mieux les mesures recueillies sur site et le modèle de propagation de houle choisi. Ce modèle est d'ordre deux dans le cas de houles faiblement à moyennement cambrées, ou d'ordre élevé reposant sur le modèle numérique High-Order Spectral (HOS) pour les houles cambrées non-linéaires. Les modèles à l'ordre deux étendu et à l'ordre HOS M = 3 ont été validés pour la prévision de houles 2D synthétiques et expérimentales : les erreurs moyennes de prévision obtenues sont au moins divisées par deux par rapport à une approche linéaire, l'amélioration étant d'autant plus probante que la cambrure de la houle et l'ordre du modèle sont élevés.

Cette thèse porte sur la détermination des caractéristiques de la houle à la côte. Les études réalisées s'intéressent aux phénomènes de réfraction et diffraction de la houle, à la reflexion sur un ouvrage ainsi qu'à la transmission au-dessus d'une structure immergée. Un code de calcul numérique de propagation de la houle est développé sur le principe des limitations angulaires. L'ajout dans les équations d'un paramètre de diffraction facilite la prise en compte de cet effet. Une étude expérimentale sur le comportement de la surface libre de la houle au passage d'un haut-fond a aussi été réalisée. Elle met en évident la compétition entre les effets de réfraction et de diffraction, et montre que les crêtes d'une houle monochromatique ne croisent pas mais tendent plutôt à se déphaser quand le haut-fond est immergé. Conjointement, des travaux de recherche fondamentale sur l'extraction de l'énergie des vagues ont conduit à des essais en canal en houle régulière, afin de caractériser expérimentalement l'action des forces de pression résultant des effets de Longuet-Higgins lorsqu'une houle se réfléchit sur un ouvrage. Suie à ces essais, on entrevoit la mise au point d'un nouveau système de récupération de l'énergie de la houle. Le calcul de son rendement énergétique est effectué en houle irrégulière, et une estimation de la production énergétique est faite pour un cas d'implantation sur site réel. Enfin, un récif artificiel en géotextiles immergés est dimensionné et testé en canal pour deux projets industriels, afin d'en évaluer les coefficients de transmission.