Dans le but de prédire les mouvements sédimentaires en environnements côtiers, l'interaction entre les particules et la turbulence doit être mieux comprise. Bien que des études précédentes aient démontré l'importance des échelles de turbulence sur le transport sédimentaire pour les écoulements de type "courant", il n'existe que très peu de travaux sur les écoulements de houle et courant superposés. Le but de cette thèse, menée d'un point de vue expérimental en canal à houle et/ou courant, est donc d'apporter de nouvelles informations permettant de mieux caractériser l'action de la houle sur les échelles de turbulence, lesquelles influencent les mouvements particulaires. Pour cela, nous avons, dans un premier temps, étudié par Vélocimétrie Laser les échelles de turbulence produites à l'aval d'une grille dans un écoulement à surface libre type "courant continu". Dans la seconde partie de nos expériences, nous avons superposé une houle monochromatique à ce courant. A l'aide d'une nouvelle technique de corrélation, l'action de la houle sur les échelles de turbulence a pu être étudiée. Nos résultats mettent principalement en valeur une modulation de la turbulence par la houle que nous avons pu caractériser pour différentes périodes et amplitudes de houle. La principale conclusion de ce travail est que, pour traiter des problèmes de transport sédimentaire en milieu côtier ou estuarien, une variation temporelle de la taille des échelles de turbulence doit être prise en compte.

L'étude de la dynamique tourbillonnaire autour des structures immergées dans la mer est entreprise pour comprendre l'impact de ces implantations sur l'environnement. Les tourbillons sont étudiés en considérant l'interaction entre une plaque horizontale et une houle monochromatique. Cette houle est générée dans un canal à houle vitré possédant un batteur et une plage d'amortissement. La Vélocimétrie par Image de Particule (PIV) et la Stéréo-Vidéographie sont utilisées pour suivre les tourbillons dans leur évolution. La PIV, qui est une technique de visualisation 2D, a permis de montrer que les tourbillons jouent un rôle essentiel dans la dynamique de l'écoulement autour de la plaque. En effet, l'écoulement est très différent de celui prédit par les modèles analytiques qui ne prennent pas en compte la dynamique tourbillonnaire. Émis aux bords de plaque, ces tourbillons évoluent par paires et sont advectés dans le sillage de la plaque en amont et en aval. De très fortes vitesses sont induites lors de l'advection des tourbillons et rendent l'écoulement autour de la plaque fortement asymétrique. Cette asymétrie est aussi constatée lorsque la circulation autour de la plaque est calculée. Elle induit des efforts de portance non négligeables sur la plaque. À chaque nouvelle période de houle, les paires de tourbillons alimentent des cellules de recirculation autour de la plaque. Au fond du canal, ces dernières induisent des points de stagnation et conduiraient à de l'affouillement dans le cas d'un lit sédimentaire. La Stéréo-Vidéographie a, quant à elle, permis de représenter l'évolution spatio-temporelle des filaments tourbillonnaires. Ces représentations, ainsi qu'une analyse spectrale, ont permis de montrer qu'il n'existe pas de longueurs d'onde caractéristiques de déformation des filaments tourbillonnaires. Cependant, trois perturbations de grande longueur d'onde ont pu être identifiées. Leur longueur d'onde et leur position varient au cours du temps. Elles pourraient être associées au développement d'ondes, type soliton, observées au cœur du tourbillon. De fortes vitesses axiales ont été mesurées au cœur des tourbillons dans le sillage de ces ondes. Ces vitesses sont caractéristiques de fortes déstabilisations ainsi que d'éclatements tourbillonnaires.

Les techniques de recherche et d'exploitation des hydrocarbures en mer profonde nécessitent l'utilisation de longs tubes flexibles appelés « risers ». Le présent travail a pour but l'étude du comportement dynamique non linéaire des risers pour les grandes profondeurs, sous les effets des courants, de la houle, des déplacements et forces appliquées en tête du riser au niveau de la surface libre de l'eau. Les non linéarités du problème considéré sont de deux types : - non linéarités dues aux interactions fluide-structure de par la présence des forces hydrodynamiques de traînée, - non linéarité de structure dues aux grands déplacements de cette dernière en présence d'efforts axiaux importants. Dans cette étude, la loi du comportement du matériau qui constitue le riser est supposée linéaire. Le travail a développé un programme de calcul, utilisant l a méthode des déplacements associée à une modélisation du riser par des éléments finis de type poutre , ce qui conduit à un modèle mécanique ayant un nombre fini de degrés de liberté. Le programme permet d'étudier le comportement statique et dynamique non linéaire des risers de faible ou grande profondeur, de toute structure constituée d'un milieu continu curviligne avec des hypothèses mécaniques analogues, mais aux conditions aux limites plus générales.

L'étude des matières en suspension (MES) minérales est essentielle pour comprendre le fonctionnement des écosystèmes en Manche : les MES influencent la pénétration de la lumière dans la colonne d'eau, paramètre clé pour la production biologique, et sont susceptibles de transporter des polluants et nutriments. Lors de ce travail, la dynamique des MES minérales de surface en Manche est étudiée à l'aide de deux méthodes complémentaires : l'observation par satellite et la modélisation numérique tridimensionnelle. Dans un premier temps, les images satellite MODIS et MERIS, traitées par l'algorithme semi-analytique développé par l'IFREMER et représentant les MES non-algales de surface, sont analysées afin d'élaborer trois modèles statistiques permettant d'estimer la MES de surface en fonction de variables basiques telles que le coefficient de marée, la hauteur significative des vagues et la concentration moyenne en chlorophylle-a. Dans un deuxième temps, le modèle hydrosédimentaire multiclasse tridimensionnel ROMS (Regional Ocean Modeling System) est implémenté en Manche. Il prend en considération le forçage par la marée aux frontières ouvertes, la contrainte exercée par le vent à la surface de la mer, l'interaction houle-courant en couche limite de fond et l’hétérogénéité spatiale réaliste du lit sédimentaire. Les résultats du modèle statistique le plus sophistiqué sont également utilisés pour forcer la concentration en MES aux frontières ouvertes du domaine de calcul. Des tests de sensibilité sur les conditions limites montrent l'importance de considérer de manière réaliste les sédiments entrant en Manche par les frontières ouvertes lors de la modélisation numérique. L'influence de la biologie sur les MES minérales est testée en utilisant une formulation de la vitesse de chute et de la contrainte critique d'érosion variant saisonnièrement.Grâce à ces deux outils associés, les influences respectives de la marée, de la houle et de la biologie sur les MES minérales sont mises en avant et localisées en Manche. Le modèle numérique prédit que les MES de surface sont composées principalement de silts (>70%). Les silts en suspension en surface proviennent majoritairement du lit sédimentaire près des côtes en Manche orientale et des frontières ouvertes du domaine de calcul à l'ouest de la presqu'île du Cotentin et au large en Manche centrale et orientale. Les variations des MES de surface sont ensuite étudiées aux échelles des cycles de marée semi-diurnes, vive-eau/morte-eau et autour d'un épisode de houles. Enfin, l'évolution de la concentration de sédiments dans la zone de forte turbidité autour de l'île de Wight peut être analysée suivant les conditions hydrodynamiques afin d'évaluer les rôles respectifs des processus locaux d'érosion/dépot et d'advection dans la génération de ces turbidités remarquables. / Study of mineral suspended particulate matter (SPM) is essential to understand ecosystem dynamics. SPM influences light penetration which is closely related to primary production and carries pollutants and nutrients within the water masses. This work aims to study near-surface mineral SPM dynamics in the English Channel using two complementary methods: remote-sensing by satellites and numerical modelling.Firstly, MODIS and MERIS satellite images processed by the IFREMER semi-analytical algorithm and describing non-algal SPM, are analysed to build three statistical models which are able to estimate near-surface SPM using simple variables, e.g., tidal coefficient, significant wave height and mean chlorophyll-a concentration. Secondly, the three-dimensional hydrosedimentary model ROMS (Regional Ocean Modeling System) is applied in the English Channel. It considers tidal forcing along open boundaries, wind stress at the sea-surface, wave-current interactions in the bottom boundary layer and realistic heterogeneous bottom sediments. Results of the more sophisticated statistical model is also used to impose SPM concentrations at open boundaries. Sensitivity tests on SPM boundary conditions show the importance of prescribing realistic sediment concentrations to improve the model predictions. Biological influences on mineral SPM are also tested using settling velocity and critical shear stress for erosion which vary with seasons.Both statistical and numerical models highlight and locate respective influences of tide, waves and biology on mineral SPM. Numerical predictions indicate that near-surface SPM is mainly composed of silts (>70%). Near-surface suspended silts come largely from seabed resuspension alongshore in the Eastern Channel and from the open boundaries of our limited-area coastal model at the West of Cotentin Peninsula and offshore. Near-surface SPM variations are investigated at semi-diurnal, neap-spring tidal cycle time scales and during a wave event. Finally, dynamics of sediments in the turbidity maximum zone around the Isle of Wight is examined depending on hydrodynamical conditions in order to distinguish the role played by advection and local erosion/settling processes in this area.

Cette thèse présente le développement d'un modèle numérique avancé, capable de simuler les interactions entre des vagues de surface de cambrure quelconque et des corps rigides immergés ayant des mouvements de grande amplitude. Fondé sur la théorie potentielle, il propose une résolution couplée de la dynamique vagues/structure par la méthode implicite de Van Daalen (1993), encore appelée méthode du potentiel d'accélération par Tanizawa (1995). La précision du modèle à deux dimensions est testée sur un ensemble d'applications impliquant le mouvement forcé ou libre d'un cylindre horizontal immergé, de section circulaire : diffraction par un cylindre fixe, radiation par un cylindre en mouvement forcé de grande amplitude, absorption des vagues par le cylindre de Bristol. Pour chaque application, les résultats numériques sont comparés à des résultats expérimentaux ou analytiques issus de la théorie linéaire, avec un bon accord en particulier pour les petites amplitudes de mouvement du cylindre et pour les vagues de faibles cambrures. La génération de vagues irrégulières et la prise en compte d'un second corps cylindrique immergé sont ensuite intégrées au modèle, et illustrées sur des applications pratiques avec des systèmes récupérateurs d'énergie des vagues simples. Enfin, le modèle est étendu en trois dimensions avec des premières applications au cas d'une sphère décrivant des mouvements de grande amplitude / This PhD is dedicated to the development of an advanced numerical model for simulating interactions between free surface waves of arbitrary steepness and rigid bodies in high amplitude motions. Based on potential theory, it solves the coupled dynamics of waves and structure with the implicit method by Van Daalen (1993), also named the acceleration potential method by Tanizawa (1995). The precision of this two-dimensional model is tested on a wide range of applications involving the forced motion or free motion of a submerged horizontal cylinder of circular cross-section : diffraction by a fixed cylinder, radiation by a cylinder in specified high amplitude motions, wave absorption by the Bristol cylinder. In each of these applications, numerical results are compared to experimental data or analytical solutions based on the linear wave theory, with a good agreement especially for small amplitude motions of the cylinder and small wave steepnesses. The irregular wave generation by a paddle and the possibility to add an extra circular cylinder are integrated in the model and illustrated on practical applications with simple wave energy converters. The model is finally extended to three dimensions, with preliminary results for a sphere in large amplitude heaving oscillations

L’imagerie satellite radar propose un point de vue intéressant pour l’étude et la compréhension des océans. Là où l’altimétrie, reconnue et utilisée mondialement, a su s’imposer comme une source de données majeure, les observations de houle issues du SAR (de l’anglais « Synthetic Aperture Radar ») restent encore largement sous exploitées. L’objet de cette thèse est de promouvoir l’utilisation de ces données en proposant un modèle pour l’analyse et la prévision de la houle à l’échelle du globe qui soit indépendant des modèles numériques classiques comme Wavewatch-III. Ce travail s’inscrit dans une logique de pérennisation de la mesure de houle depuis l’espace avec le lancement dans les trois années à venir des trois missions satellites Sentinel-1 A et B et CFOSAT. Un des principaux résultats de ce travail est la capacité de la méthode développée à fournir une information plus précise que celle des modèles existants. Cette méthode permet également une meilleure caractérisation des mesures utilisées en entrée et des pistes d’amélioration de ces dernières sont dégagées pour les futures activités de calibration/validation. Ces travaux ouvrent également des perspectives sur les possibilités d’assimilation des sorties de ce nouveau modèle dans les modèles numériques classiques. / The capability to observe ocean swell using spaceborne Synthetic Aperture Radar (SAR) has been demonstrated starting with ERS-1 mission in 1992. This dissertation shows how ocean swell properties can be used to combine swell observations of heterogeneous quality and acquired at various times and locations for the observation and forecast of ocean swell fieldsusing ASAR instrument on-board ENVISAT. The first section is a review of how ocean swell spectra can be derived from the SAR complex images of the ocean surface using a quasi-linear transformation. Then, significant swell heights, peak periods and peak directions from in situ measurements are used to assess the accuracy of the SAR observed swell spectra. Using linear propagation in deep ocean, a new swell field reconstruction methodologyis developed in order to gather SAR swell observations related to the same swell field. Propagated from their generation region, these observations render the spatio-temporal properties of the emanating ocean swell fields. Afterwards, a methodology is developed for the exclusion of outliers taking advantage of the swell field consistency. Also, using the irregularly sampled SAR observations, quality controlled estimations of swell field integral parameters are produced on a regular space-time grid. Validation against in situ measurements reveals the dramatic impact of the density of propagated observations on the integral parameters estimated accuracy. Specifically, this parameter is shown to be very dependent on the satellite orbit. Finally, comparisons with the numerical wave model WAVEWATCH-III prove it could potentially benefit from the SAR swell field estimates for assimilation purposes.

Cette thèse propose un algorithme efficace pour la simulation numérique des interactions houle-structure avec des solveurs CFD bi-phasiques. L'algorithme est basé sur le couplage de la théorie potentielle et des équations bi-phasiques de Navier-Stokes. C'est une extension de la méthode Spectral Wave Explicit Navier-Stokes Equations (SWENSE) pour les solveurs CFD bi-phasiques avec une technique de capture d'interface. Dans cet algorithme, la solution totale est décomposée en une composante incidente et une composante complémentaire. La partie incidente est explicitement obtenue avec des méthodes spectrales basées sur la théorie des écoulements potentiels ; seule la partie complémentaire est résolue avec des solveurs CFD, représentant l'influence de la structure sur les houles incidentes. La décomposition assure la précision de la cinématique des houles incidentes quel que soit le maillage utilisé parles solveurs CFD. Une réduction significative de la taille du maillage est attendue dans les problèmes typiques des interactions houle structure. Les équations sont présentées sous trois formes : la forme conservative, la forme non conservative et la forme Ghost of Fluid Method. Les trois versions d'équations sont implémentées dans OpenFOAM et validées par une série de cas de test. Une technique d'interpolation efficace pour reconstruire la solution des houles irrégulières donnée par la méthode Higher-Order Spectral (HOS) sur le maillage CFD est également proposée. / This thesis proposes an efficient algorithm for simulating wave-structure interaction with two-phase Computational Fluid Dynamics (CFD) solvers. The algorithm is based on the coupling of potential wave theory and two phase Navier-Stokes equations. It is an extension of the Spectral Wave Explicit Navier-Stokes Equations (SWENSE) method for generalized two-phase CFD solvers with interface capturing techniques. In this algorithm, the total solution isdecomposed into an incident and acomplementary component. The incident solution is explicitly obtained with spectral wave models based on potential flow theory; only the complementary solution is solved with CFD solvers, representing the influence of the structure on the incident waves. The decomposition ensures the accuracy of the incident wave’s kinematics regardless of the mesh in CFD solvers. A significant reduction of the mesh size is expected in typical wave structure interaction problems. The governing equations are given in three forms: the conservative form, the non conservative form, and the Ghost of Fluid Method (GFM) form. The three sets of governing equations are implemented in OpenFOAM and validated by a series of wave-structure interaction cases. An efficient interpolation technique to map the irregular wave solution from a Higher-Order Spectral (HOS) Method onto the CFD grid is also proposed.

L'objectif de ce travail était d'améliorer la compréhension et la modélisation de la propagation de la houle au-dessus d'une topographie lentement variable et en présence d'un courant inhomogène. Nous nous sommes en particulier intéressés à l'influence d'un courant cisaillé linéairement et verticalement sur la dynamique de la houle. Dans ce but un modèle linéaire de propagation de la houle a été développé et une campagne expérimentale a été menée en bassin de génie océanique. Au cours de cette campagne expérimentale les paramètres de la houle et du courant ont été mesurés avec une haute résolution spatio-temporelle. Nous avons pu décrire l'interaction complexe entre la houle et le courant, en particulier les effets de l'évolution spatiale des gradients verticaux et horizontaux de ce dernier sur la propagation de la houle. / The purpose of this work was the improvement of the understanding and the modelling of wave propagation over a slowly varying topography in presence of a inhomogeneous current. Particularly we focus on the influence of a linearly vertically sheared current on the wave behaviour. To this end, we develop a new wave propagation model and we carry out an experimental study in an ocean engineering basin.During the experiments, wave parameters and currents parameters have been measured with a high spatial and temporal resolution. This allows us to describe the complex interaction between the wave and the current, particularly its horizontal and vertical gradients effects on the wave propagation.

Ces dernières années, de nouvelles stratégies ciblant un accompagnement de la mobilité du trait de côte plutôt que sa fixation ont vu le jour. Parmi celles-ci, les ouvrages atténuateur de houle visent à protéger la côte en dissipant l’énergie des vagues par déferlement bathymétrique, tout en restant invisibles depuis la plage. Leur utilisation a toutefois eu des effets contrastés et les processus hydro-sédimentaires induits par ces structures restent mal connus. L’objectif général de ce travail est de mieux comprendre les effets de ces atténuateurs de houle sur la morphodynamique littorale, notamment sur des sites où l’évolution de l’avant-côte est complexe et dynamique. L’observation des effets induits par un atténuateur de houle installé au lido de Sète (Golfe du Lion), sur la dynamique littorale est réalisée via un dispositif vidéo qui permet de caractériser l’évolution morphologique du système. En s’appuyant sur une méthode automatique de correction des images développée dans le cadre de cette thèse, l’estimation de la bathymétrie par inversion de la célérité des vagues et ses erreurs associées sont évaluées pour la première fois en Méditerranée. Les observations montrent que l’atténuateur de houle impacte de manière importante la morphologie et la dynamique des barres sableuses pré-littorales et révèlent que l’élargissement de la plage résulte principalement de son couplage avec la nouvelle forme de barre plus linéaire. Le modèle morphodynamique 2DBeach est ensuite implémenté sur Sète et sur un second site atelier en Australie où un récif artificiel de taille et de forme différente a été mis en place. Les simulations réalisées permettent de déterminer les circulations induites par ces ouvrages ainsi que les évolutions sédimentaires associées. Enfin, ce travail met en lumière les différents processus physiques contrôlant l’influence d’un atténuateur de houle sur les évolutions morphologiques des barres sableuses pré-littorales et du trait de côte, et renforce des connaissances essentielles à la gestion durable des plages sableuses. / In recent years, traditional coastal defense strategy has become increasingly unpopular as it is costly and lastingly scars the landscape with sometimes limited effectiveness or even adverse impact. Mimicking natural reefs, submerged breakwaters aims to protect the coast, decreasing wave energy through wave breaking offshore with the advantage of remaining invisible from the beach. The general objective of this work is to better understand the different morphodynamic processes that interact in the presence of these structures, especially for complex beach morphology with highly dynamic sandbars. The observation of the effects induced by a submerged breakwater deployed at the Lido of Sète (Gulf of Lions) on the morphological response is performed using a video monitoring system. Based on an automatic method for image correction developed in this thesis, a video-derived depth inversion algorithm was tested to infer nearshore bathymetry from remotely-sensed wave parameters. Our observations show that the submerged breakwater had a profound impact on the shoreline-sandbar system and suggest that, on barred beaches, the role of the sandbar is critical to shoreline response to the implementation of such a structure. The expected salient formation was not observed and, instead, shoreline coupled to the modified sandbar geometry, which resulted in a slight seaward migration of the shoreline in the lee of the structure. In order to characterize the nearshore circulation induced by these structures and to better assess sediment transport, the morphodynamic model 2DBeach was then implemented on Sète and at another beach in Australia where an artificial reef of different size and shape has been deployed. This work allows a better understanding of the influence of a submerged breakwater on the morphological evolution of sandbars and shoreline on time scales from storm to years, and provides new insight into nearshore system response to better design sustainable management of sandy beaches.

À notre connaissance, nous avons présenté le premier ensemble d'expériences qui mènent aux profils d'équilibre. Parmi ces profils, deux morphologies schématiques sont obtenues:<br />une plage barrée et une plage en forme de terrasse. La vitesse de chute adimensionnelle ou<br />le nombre de Dean , est le paramètre principal.<br />La réponse morphologique est comparée avec la classification de Wright and Short (1984).<br />Nous avons réalisé une classification plus fine au niveau du type de la plage<br />pour les valeurs intermédiaires de nombre de Dean.<br /><br />A propos des effets correspondant à la présence des ondes-infragravités sur la formation et stabilité des barres, nous avons constaté que la conjonction de noeud des vagues infragravités et le point<br />de déferlement est favorable à la formation et la stabilité de la barre d'avant côte.