Les formulations et modèles de vagues stochastiques sont les outils les plus traditionnels pour l’évaluation et la prévision des états de mer. Cependant, la prise en compte de nombreux processus physiques essentiels à l’évolution des vagues reste souvent lacunaire dans ces types d’approches. Une des raisons possible est notamment que peu d’observations viennent documenter ces processus. La dissipation des ondes est ainsi mal quantifiée par les méthodes d'observation traditionnelles dans tout l’éventail des conditions océaniques. Dans ce contexte, le travail présenté dans cette thèse explore plus avant les conditions menant au déferlement à travers la modulation de l'énergie des ondes courtes par de fort courants de marée et par des ondes plus longues.Dans cette étude, nous avons profité des campagnes de mesure BBWAVES, spécialement conçues pour acquérir de la donnée dans des zones d’interactions vagues courants.Ces campagnes ont notamment permis de tester une nouvelle bouée dérivante conçue pour la mesure des vagues dans des zones à forts courants de marées. Grâce à des mesures simultanées en zones de forts courants, il a été possible de mettre en évidence des lacunes dans la modélisation des états de mer, et l’influence vraisemblable des erreurs dans la modélisation atmosphérique pour ces conditions. Cette thèse a également tiré parti d’une campagne de mesure stéréo-vidéo d’états de mer en Mer Noire afin d’étudier différents aspects du déferlement des vagues dans une grande variété de conditions d'état de mer bimodales. Ces mesures ont permis de mettre en évidence une modulation des ondes courtes par des longues et une incidence sur les propriétés de déferlement. / Stochastic wave formulations and models are the most common tools for the assessment and forecast of sea surface conditions. Their ability to account for some of the processes encountered by waves during their evolution remains however a central question. Among other processes, the wave dissipation is for instance still poorly quantified and traditional methods for wave measurements fail to proper insight into its physics in a wide range of conditions. In this context, the work presented in this PhD aims to explore available observation techniques for their application to several quantitative aspects of the dissipation of wave energy, and particularly for short wave modulated by strong tidal currents, for short wave modulated by longer waves. This work takes advantage of the BBWAVES oceanic campaigns, especially planned to explore questions related to wave and current interactions. Data from a large variety of sensors are analyzed. The campaign provides the ground for the test of a new design of drifting buoy aimed at measuring waves in areas of strong tidal current. Its performances are verified and the description it provides of the area is explored. From simultaneous measurements, it was possible to highlight the actual inaccuracies in wave model capabilities as well as the contribution of the error contained in the atmospheric modeling over strong tidal currents to the misevaluation of sea states. This work also used an extensive dataset from a stereo video experiment in the Black Sea to investigate wave breaking in bimodal sea state conditions. These measurements have revealed the influence of long wave modulation over short wave breaking.

O presente trabalho apresenta a primeira avaliação da hidrodinâmica do Saco do Mamanguá (RJ), com o objetivo de analisar o comportamento hidrodinâmico e o transporte de sedimentos da região, através do modelo hidrodinâmico Delft3D - FLOW e do modelo de ondas Delft3D - WAVE. Os resultados indicam que a hidrodinâmica do Saco do Mamanguá é grandemente influenciada pela ação do vento, principalmente pelos oriundos de sudoeste, seguido pela força da maré e dos gradientes de densidade, que juntos atuam no direcionamento e magnitude das correntes e trocas de volume entre a região e o oceano adjacente, sendo responsáveis também pelo transporte de sedimentos em suspensão da região. Os resultados do modelo numérico de ondas mostraram que estas não influenciam a hidrodinâmica da região. Através da comparação dos resultados do modelo numérico com os dados coletados na região, ele se mostrou satisfatório, principalmente em relação à hidrodinâmica, validando a correta representação dos padrões de circulação da área. Por fim, o trabalho demonstra que o Saco do Mamanguá é um ambiente de baixa energia, com correntes fracas, variando de bem misturado a estratificado em que, sua baixa dinâmica favorece a retenção de partículas em seu interior, porém a atuação do vento contribui para a exportação de material. / This study presents the first evaluation of hydrodynamics Saco do Mamanguá (RJ), with the aiming of analyze the hydrodynamics patters and sediment transport in the region using the hydrodynamic model Delft3D - FLOW and wave model Delft3D - WAVE. The results indicate that the hydrodynamics of Saco do Mamanguá is largely influenced by the wind, especially southwestern winds, followed by tide forces and density gradients which together will dictate direction and magnitude of current, the volume and mass exchanges between the study area and the adjacent ocean, and the suspended sediment transport. The results of the wave model showed that these did not influence the hydrodynamics of the region. The numerical model was proved be satisfactory, especially regarding the hydrodynamics patterns when compared to measured data, well representing the flow circulation of the area. Finally, the study demonstrates that Saco do Mamanguá is a low energy environment with low velocity currents, ranging from well mixed to stratified estuary. The low dynamic in the system favors particle retention in its interior although the performance of the wind contributes to the export of material.

Nonlinear wave-wave interactions and wave breaking contribute to nearshore wave energy dissipation. These factors can be analyzed by the principles of wave self-similarity. The equilibrium range can be shown in wind-driven wave spectra that exist in the form ( ) and However, the appropriate methods used to determine this loss of energy are controversial. This study examines an approach that reinvestigates the self-similarity principles. Wave spectra with lower peak periods are dominated by nonlinear wave-wave interactions which produce a scaling in shallow water. This thesis investigates the relative role of spectral similarity in different conditions in the nearshore region of the U.S. Army Corps of Engineers Field Research Facility in Duck, North Carolina. The results show young sea waves (wave spectra in which the propagation speed of waves at the spectral peak is much smaller than the wind speed) are dominated by nonlinear wave-wave interactions in the nearshore while older waves (wave spectra in which the propagation speed of waves at the spectral peak is equal to or greater than the wind speed) are dominated by wave breaking in deep water. Furthermore, nearshore wave models need to incorporate the self-similarity concept in deep and shallow water to better understand and quantify important aspects of wave physics in shallow water.

Cette thèse porte sur le développement d'un ensemble d'outils numériques destinés à simuler différents aspects des interactions vagues-structure appliquées à l'exploitation des systèmes de récupération de l'énergie des vagues (SREV). Elle a été réalisée dans le cadre du projet ANR Monacorev (projet ANR11-MONU-018-01, 2012-2015).L'objectif est de pouvoir traiter la question des interactions à l'échelle d'une ferme de SREVs (≈ 1 km), et d'étudier l'impact d'une ou plusieurs fermes de SREVs à l'échelle régionale (≈ 10km) sur le champ de vague total. Des méthodes de modélisation et de simulation adaptées sont développées pour chacune de ces deux échelles. Jusqu'à présent, les interactions entre les SREVs étaient bien souvent étudiées en considérant que le fond était plat (l'influence d'un fond variable sur le champ de houle au niveau de la ferme étant alors jugé négligeable), ce qui permet de calculer facilement et rapidement le champ de vagues et les interactions grâce à l'utilisation de la théorie linéaire potentielle. Une application pratique de cette méthode est le calcul du rendement d'une ferme de SREVs, et l'optimisation de leurs positions relatives au sein d'un parc. Dans le cadre de la théorie linéaire, cette thèse propose une méthodologie de couplage originale entre un code de tenue à la mer (Aquaplus) et un code de propagation de la houle en zone côtière (Artemis), laquelle a été développée et qualifiée. Les simulations réalisées montrent que, pour une configuration de ferme de SREVs donnée, on ne peut pas toujours négliger les effets de la bathymétrie. Par exemple, la présence d'une plage de pente 10% au large d'une ferme de SREV peut modifier la hauteur des vagues de manière significative, et affecter ainsi le rendement de la ferme de manière significative par rapport au cas où le fond est uniformément plat. A l'échelle côtière régionale, il est aussi intéressant de simuler et prédire l'impact de fermes de SREVs sur le champ de vagues. Pour des raisons d'efficacité, une approche à phases moyennées de modélisation des vagues a été privilégiée, fondée sur le code spectral d'états de mer Tomawac. La représentation des effets d'un SREV à travers l'utilisation d'un terme puits (concept permettant de soustraire au spectre d'énergie d'état de mer local l'énergie correspondant à celle absorbée par le SREV), bien qu'incomplète du fait que les effets de radiation/diffraction ne sont pas pris en compte, a été étudiée et testée. Une nouvelle méthodologie prenant en compte ces effets dans un code spectral est présentée ici et testée, avec l'objectif de pallier à ces limitations. Les discussions sur la validité de deux approches permettent d'esquisser des pistes de développements ultérieurs pour la représentation des fermes de SREV à l'échelle régionale / This thesis focuses on the development of a set of numerical tools to simulate different aspects of the wave-body interactions applied to the exploitation of wave energy converters (WEC). It was conducted under the ANR Monacorev project (project-ANR11 MONU-018-01, 2012-2015).The objective is to address the issue of the interactions at the scale of a farm of WECs (≈ 1 km), and to study the impact of one or more WEC farms at the regional scale (≈ 10km ) on the total wave field. Modeling and simulation methods adapted for each of these two scales are developed. Until now, the interactions between WECs was often studied by considering that the bottom was flat (the influence of a variable bathymetry on the wave field at the farm site being considered to be negligible), allowing to easily and quickly calculate the wave field and interactions through the use of linear potential theory. A practical application of this method is the yield estimation for a WEC farm and the optimization of the WEC position within a park. In the framework of the linear theory, this thesis proposes an original coupling methodology between a seakeeping (Aquaplus) and a wave propagation code in coastal areas (Artemis), which was developed and qualified. Simulations show that, for a given WEC farm configuration, effects of the bathymetry cannot systematically ignored. For example, the presence of a 10% slope close to a WEC farm can significantly modify the wave height, and thus affect the performance of the farm by several percent compared to the case with a uniformly flat bottom. At the regional coastal scale, it is also interesting to simulate and predict the impact of WEC farms on the wave field. At this scale, for efficiency reasons, a phase-averaged simulation of waves was preferred, based on the sea state spectral code TOMAWAC. The representation of the effects of a WEC through the use of a sink-term (concept for subtracting the energy equivalent to that absorbed by the WEC to the sea state energy spectrum), though incomplete due to the fact that the scattering effects are not taken into account, has been studied and tested. A new methodology taking into account these effects in a spectral code is presented here and tested with the aim to overcome these limitations. Discussions on the validity of these approaches allow us to propose possible future developments for the modeling of WEC farm at the regional scale

Cette thèse porte sur le développement d'un ensemble d'outils numériques destinés à simuler différents aspects des interactions vagues-structure appliquées à l'exploitation des systèmes de récupération de l'énergie des vagues (SREV). Elle a été réalisée dans le cadre du projet ANR Monacorev (projet ANR11-MONU-018-01, 2012-2015).L'objectif est de pouvoir traiter la question des interactions à l'échelle d'une ferme de SREVs (≈ 1 km), et d'étudier l'impact d'une ou plusieurs fermes de SREVs à l'échelle régionale (≈ 10km) sur le champ de vague total. Des méthodes de modélisation et de simulation adaptées sont développées pour chacune de ces deux échelles. Jusqu'à présent, les interactions entre les SREVs étaient bien souvent étudiées en considérant que le fond était plat (l'influence d'un fond variable sur le champ de houle au niveau de la ferme étant alors jugé négligeable), ce qui permet de calculer facilement et rapidement le champ de vagues et les interactions grâce à l'utilisation de la théorie linéaire potentielle. Une application pratique de cette méthode est le calcul du rendement d'une ferme de SREVs, et l'optimisation de leurs positions relatives au sein d'un parc. Dans le cadre de la théorie linéaire, cette thèse propose une méthodologie de couplage originale entre un code de tenue à la mer (Aquaplus) et un code de propagation de la houle en zone côtière (Artemis), laquelle a été développée et qualifiée. Les simulations réalisées montrent que, pour une configuration de ferme de SREVs donnée, on ne peut pas toujours négliger les effets de la bathymétrie. Par exemple, la présence d'une plage de pente 10% au large d'une ferme de SREV peut modifier la hauteur des vagues de manière significative, et affecter ainsi le rendement de la ferme de manière significative par rapport au cas où le fond est uniformément plat. A l'échelle côtière régionale, il est aussi intéressant de simuler et prédire l'impact de fermes de SREVs sur le champ de vagues. Pour des raisons d'efficacité, une approche à phases moyennées de modélisation des vagues a été privilégiée, fondée sur le code spectral d'états de mer Tomawac. La représentation des effets d'un SREV à travers l'utilisation d'un terme puits (concept permettant de soustraire au spectre d'énergie d'état de mer local l'énergie correspondant à celle absorbée par le SREV), bien qu'incomplète du fait que les effets de radiation/diffraction ne sont pas pris en compte, a été étudiée et testée. Une nouvelle méthodologie prenant en compte ces effets dans un code spectral est présentée ici et testée, avec l'objectif de pallier à ces limitations. Les discussions sur la validité de deux approches permettent d'esquisser des pistes de développements ultérieurs pour la représentation des fermes de SREV à l'échelle régionale / This thesis focuses on the development of a set of numerical tools to simulate different aspects of the wave-body interactions applied to the exploitation of wave energy converters (WEC). It was conducted under the ANR Monacorev project (project-ANR11 MONU-018-01, 2012-2015).The objective is to address the issue of the interactions at the scale of a farm of WECs (≈ 1 km), and to study the impact of one or more WEC farms at the regional scale (≈ 10km ) on the total wave field. Modeling and simulation methods adapted for each of these two scales are developed. Until now, the interactions between WECs was often studied by considering that the bottom was flat (the influence of a variable bathymetry on the wave field at the farm site being considered to be negligible), allowing to easily and quickly calculate the wave field and interactions through the use of linear potential theory. A practical application of this method is the yield estimation for a WEC farm and the optimization of the WEC position within a park. In the framework of the linear theory, this thesis proposes an original coupling methodology between a seakeeping (Aquaplus) and a wave propagation code in coastal areas (Artemis), which was developed and qualified. Simulations show that, for a given WEC farm configuration, effects of the bathymetry cannot systematically ignored. For example, the presence of a 10% slope close to a WEC farm can significantly modify the wave height, and thus affect the performance of the farm by several percent compared to the case with a uniformly flat bottom. At the regional coastal scale, it is also interesting to simulate and predict the impact of WEC farms on the wave field. At this scale, for efficiency reasons, a phase-averaged simulation of waves was preferred, based on the sea state spectral code TOMAWAC. The representation of the effects of a WEC through the use of a sink-term (concept for subtracting the energy equivalent to that absorbed by the WEC to the sea state energy spectrum), though incomplete due to the fact that the scattering effects are not taken into account, has been studied and tested. A new methodology taking into account these effects in a spectral code is presented here and tested with the aim to overcome these limitations. Discussions on the validity of these approaches allow us to propose possible future developments for the modeling of WEC farm at the regional scale

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