Le travail réalisé dans cette thèse a consisté en le développement et l'utilisation des modèles numériques pour étudier les interactions multi-échelles entre une éolienne offshore et la dynamique locale océanique et sédimentaire. Dans une première partie, les interactions entre le système couplé océan-sédiment et le sillage atmosphérique généré par une turbine éolienne offshore sont étudiées à l'aide d'un modèle numérique 2D développé au cours de la thèse et écrit en fortran. Ce modèle résout les équations de Barré-De-Saint-Venant pour l'océan et l'équation d'Exner pour le sédiment. Dans un seconde partie, le phénomène d'affouillement 3D autour d'un cylindre vertical est étudié à l'aide d'un modèle diphasique eulérien-eulérien, sedFoam, implémenté dans la boîte à outils numériques OpenFOAM. L'approche diphasique permet de tenir compte des processus de petite échelle en s'affranchissant des hypothèses classiquement faites pour la modélisation du transport sédimentaire, notamment la corrélation locale entre le flux de sédiments et la contrainte de cisaillement fluide sur le fond.Concernant l'impact du sillage atmosphérique généré par une turbine, nous avons montré que celui-ci peut générer des allées tourbillonnaires dans l'océan. La dynamique turbulente océanique est alors contrôlée par le paramètre de sillage S=Cd D/H, où D est le diamètre du sillage au point d'impact sur la surface de l'océan, Cd est le coefficient de la loi de friction quadratique entre l'océan et le fond et H la profondeur de l'océan. Une paramétrisation des flux turbulents basée sur S est proposée pour modéliser la dynamique océanique dans des modèles à plus grande échelle de type RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes). Les résultats montrent que la dynamique océanique a une rétro-action sur la puissance du vent disponible. Les résultats montrent également que la dynamique sédimentaire instantanée est couplée à la dynamique océanique. Cependant, les variations de l'élévation du fond marin sont faibles (mm/mois) et l'impact morphodynamique du sillage est négligeable.Concernant la simulation diphasique de l'affouillement, après une validation du modèle sur des configurations 1D et 2D, des simulations tridimensionnelles autour d'une pile cylindrique sont présentées. Dans un premier temps, une configuration sans sédiments est réalisée afin de valider la capacité du modèle de turbulence URANS (Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes) développé dans ce travail de thèse à reproduire les structures tourbillonnaires responsables de l'affouillement comme le tourbillon en fer à cheval et le lâché tourbillonnaire à l'aval du cylindre. Ensuite, les premières simulations diphasiques 3D de l'affouillement autour du cylindre ont été réalisées en régime de transport de type lit-mobile. Ces simulations constitue un véritable challenge en terme calcul numérique à haute performance. La comparaison favorable des résultats de simulations avec les résultats expérimentaux de la littérature apporte la preuve de concept que l'approche diphasique est pertinente pour étudier des configurations d'écoulements complexes instationnaire et tridimensionnelle. Les résultats de simulation sont ensuite analysés pour étudier la relation entre le flux local de transport de sédiments, la valeur de la contrainte fluide sur le fond et la pente locale du lit sédimentaire. La déviation par rapport aux résultats obtenus en écoulement uniforme permet d'identifier les mécanismes prépondérant de transport associées au tourbillon en fer à cheval, à la pente de fond et aux tourbillons lâchés dans le sillage du cylindre. Les résultats obtenus montrent une sensibilité à la résolution numérique en particulier à l'aval du cylindre illustrant le besoin de réaliser des simulations des grandes échelles turbulentes diphasiques. / The work undertaken in this PhD thesis was to develop and use numerical models to investigate the multi-scale interactions between an offshore wind turbine and the local ocean and sediment dynamics. First, the interactions between the coupled ocean-sediment system and the atmospheric wake generated by an offshore wind turbine are investigated using an idealized two-dimensional model developed during this Phd thesis and written in fortran. The model integrates the shallow water equations for the ocean together with the Exner equation for the sediment bed. In a second part, the 3D scour phenomenon around a vertical cylinder in a steady current is studied using a two-phase flow eulerian-eulerian solver, sedFoam, written within the framework of the numerical toolbox OpenFOAM. The two-phase flow approach accounts for small-scale processes by avoiding the traditional assumptions made for sediment transport modeling, such as a local corre- lation between the sediment flux and the fluid bed shear stress.Regarding the atmospheric wake generated by a turbine, the results shows that its impact on the ocean’s surface can generate vortices. The resulting turbulent ocean dynamics is controlled by the wake parameter S = CdD/H, where D is the wake diameter at the impact location on the ocean surface, Cd is the quadratic friction coefficient between the ocean and the sediment and H is the oceanic layer depth. A turbulence parameterization based on S is proposed, allowing for upscaling simulations in larger scales Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) models. It is shown that the ocean dynamics has an effect on the available wind power. The results also show that the instantaneous sediment dynamics is strongly coupled with the ocean one but that the overall seabed elevation variations remain small (a few millimeters/month). The morphodynamic impact of the wake is thus negligible.Concerning the two-phase flow simulation of scour, sedFoam is first validated on 1D and 2D configurations. Then, 3D simulations around a vertical cylindrical pile are presented. At first, a validation of the Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes (URANS) turbulence model developed in this work is performed on a configuration without sediment. The results show that the vortices structures responsible for scouring, the Horse Shoe Vortex (HSV) and the vortex-shedding in the lee of the cylinder are correctly reproduced. Then, 3D two-phase flow simulations of the scour around a cylindrical pile have been carried out in a live-bed configuration. This work is the first attempt to model 3D scour phenomenon using the two-phase flow approach. Such simulations represent a real challenge in terms of high performance computing. The good agreement between the numerical predictions and the literature experimental results provide the proof of concept that the two-phase flow approach can be used to study complex 3D and unsteady flow configurations. The relationship between the local bed shear stress, the sediment flux and the local sediment bed slope is further investigated. The deviation of the results from a uniform flow configuration is further analyzed to identify the relevant sediment transport mechanisms associated with the HSV, the slope in the scour mark and the vortex-shedding downstream of the cylinder. Finally, the numerical results show a grid sensitivity of the morphological predictions in the lee of the cylinder that are most probably related to small-scale resolved vortical structures. This highlights the need for two-phase flow Large Eddy Simulations on this configuration in the future.

La présente génération sera confrontée à des changements climatiques importants et nous devrons vivre avec leurs impacts sur les phénomènes naturels, dont les régimes d’écoulement en rivière ainsi que le cycle de la glace fluviale. Ces impacts vont à leur tour engendrer d’autres conséquences sur les cours d’eau, comme les modifications à la géomorphologie des rivières et les impacts sur les patrons de sédimentation et d’érosion des cours d’eau. Dans ce contexte, deux biefs de la rivière Stoke, un cours d’eau a lit de gravier, situés respectivement au rang 11 et au rang 12 de la ville de Stoke, Québec, Canada ont fait l’objet d’une étude, dont le but était de quantifier le transport de sédiments causé par le cycle de la glace fluviale, en utilisant des marqueurs passifs (PIT) qui ont été insérés dans des grains, ou sédiments, aux deux biefs. Afin de suivre le déplacement de ces marqueurs, des antennes fixes ont été mises en place dans le lit de la rivière et ont été connectées à un système d’acquisition de données à chaque site. En complément, des relevés ont été effectués avec une antenne mobile afin de permettre un suivi plus précis des déplacements des marqueurs. La complémentarité de ces deux méthodes de détection a permis d’effectuer le suivi des marqueurs malgré les conditions difficiles de suivi lors de la période hivernale et lors de la crue printanière, période souvent trop hasardeuse due au mouvement de la glace pour permettre des relevés. Les antennes fixes ont permis de relever les temps de passage des marqueurs au niveau des antennes. Une fois la crue passée, les relevés avec l’antenne fixe ont permis d’enregistrer précisément la position des marqueurs et quantifier leurs déplacements. Une caméra à prise de vue à intervalles a été mise en place à chaque site afin de suivre les conditions de surface de chaque tronçon et de permettre de faire de lien entre les déplacements et les conditions hydrauliques. Le projet a permis de déterminer que la période la plus influente du transport de sédiment, soit celle où le plus de déplacements de grains ont été observés, est lors de la crue printanière, puisque le cisaillement au lit est à son niveau le plus élevé. Cette situation est exacerbée du fait de la présence de la glace, puisque celle-ci vient augmenter les niveaux d’eau en augmentant le rayon hydraulique, ce qui amplifie une fois de plus le cisaillement au lit. De plus, la glace vient mécaniquement, une fois morcelée dans l’écoulement, déplacer des grains par contact direct avec ceux-ci.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Cette étude s'inscrit dans le développement de modèles à base physique de l'érosion hydrique à l'échelle des versants. L'objectif est la construction d'un modèle numérique (PSEM_2D, Plot Soil Erosion Model) couplant les mécanismes d'infiltration, de ruissellement et d'érosion. Les paramétrisations sélectionnées sont implémentées dans le modèle. Une première évaluation à partir de données de la littérature donne des résultats satisfaisants et montre l'intérêt d'un tel outil pour l'étude des transferts d'eau et de particules. L'étude se concentre ensuite sur les processus de l'érosion concentrée. L'analyse d'une base de donnée américaine portant sur la distribution granulométrique des particules exportées, l'hydraulique et les régimes d'érosion dans des rigoles révèle l'existence de différents comportements fonction de la texture des sols et sert de base à une comparaison avec PSEM_2D. Les formules de capacité de transport de Low (1989) et de Govers (1992) donnent les meilleurs résultats. Le modèle d'arrachement permet de reproduire les régimes d'érosion mais atteint ses limites quand des rigoles trop profondes se forment. Une étude expérimentale dans un canal de 3 m de long est menée pour améliorer la paramétrisation du transport de particules en distinguant transport en suspension et charriage en fonction en particulier de la taille et de la densité des particules. Enfin, le modèle numérique est utilisé pour une étude de cas de l'érosion hydrique sur une parcelle de 100 m² pour différentes configurations hydrologiques, topographiques et pédologiques. Les résultats sont analysés à l'exutoire de la parcelle et le long d'une toposéquence de 20 m de long divisé en cinq tronçons.

Ce travail de thèse concerne l'étude numérique du transport par charriage d'un lit de grain dans un écoulement de Couette laminaire. La méthode numérique employée est un modèle de type Euler-Lagrange, où la taille de la cellule de calcul eulérienne est supérieure mais du même ordre de grandeur que le diamètre moyen des grains. Elle repose pour la phase fluide Eulérienne sur les équations de Navier-Stokes moyennées par un terme de porosité et pour la phase solide Lagrangienne sur les équations de Newton résolues pour chaque particule via une méthode aux éléments discrets. Un terme d'interaction fluide-particule permet de coupler les deux phases. Dans un premier temps, des simulations en petit domaine sont effectuées afin d'étudier l'influence du nombre de Shields , du nombre de Reynolds particulaire Rep et du rapport de densité p/f sur le transport granulaire. Nous montrons, en particulier, que ce modèle numérique permet de retrouver le seuil de mise en mouvement du lit granulaire et les lois de débit granulaire fonction de comme obtenus dans la littérature. De plus, il est mis en évidence que ce débit granulaire q ne dépend que plus faiblement de Rep et p/f. Dans un second temps, des simulations sur de longs domaines permettent d'observer l'influence de ces mêmes paramètres sur le développement d'instabilités. Plus particulièrement, le développement de l'instabilité de lit sur les temps courts et sur les temps longs sont discutés. / This work deals with local numerical simulations of laminar shear flow eroding a bed of spherical particles. The numerical method used is an Euler-Lagrange model, based on the resolution of the Navier-Stokes equations, averaged over cells containing several particles, and Newton's equations for the solid phase using the discrete element method (DEM). The averaging procedure brings out a solid volume fraction term for the fluid phase, which mimics the porosity of the effective medium. A fluid-particle interaction term enables a two-way coupling. Firstly simulations are performed on a relatively small domain, allowing to reach a steady state without any instability development. The influence of the Shields number , the particle Reynolds number Rep and the density ratio p/f is observed independently from each other. Simulations agrees well with experiments and lower scale simulations, giving a granular transport largely governed by the Shields number compared to the other dimensionless numbers and a pretty good estimation of the threshold Shields number c, which delineates static and moving bed. Secondly, simulations on a larger domain are performed in order to capture the formation and the development of ripples. The influence of the three dimensionless numbers on the ripple characteristics, such as wavelength or amplitude, is investigated. These preliminary results seems to be in a reasonable agreement with experimental and simulation data. In particular, the relative influence of and Rep is discussed.

La dynamique sédimentaire des rivières, souvent modifiée par les aménagements, n'a pas été considérée comme un facteur significatif pour la qualité des environnements riverains et dans les stratégies de restauration. Les approches destinées à restaurer la charge sédimentaire d'une rivière afin qu'elle soit compatible avec les besoins environnementaux et humains, en termes de quantité de sédiments et de granulométrie, sont encore peu développées. De plus, les approches existantes telles que l'injection de sédiments sont souvent coûteuses et nécessitent une intervention humaine. Cette thèse porte sur l'érosion induite des berges, qui constitue une alternative plus durable pour l'environnement. Cette approche consiste à accroître le potentiel d'érosion en certains sites le long des berges d'une rivière chenalisée, en leur permettant d'être plus fortement érodés lors de crues. Deux approches, un modèle physique et des simulations numériques, ont été utilisées pour étudier un site localisé sur le Vieux-Rhin, en aval de Bâle (Suisse), où une modification des épis éxistents est prévue afin de favoriser l'érosion des berges. Dans un premier temps, différents scénarios de modification ont été testés sur une gamme de débits, au moyen d'un modèle physique à échelle de Froude non distordue avec un lit mobile. Dans ce modèle physique, un mélange de quatre classes granulométriques a été adopté afin de reproduire la courbe granulométrique mesurée en nature. Le modèle a été mis à l'échelle par une méthode spécifique qui représente avec précision le début du mouvement de chaque classe. Une stratégie efficace d'érosion des berges a été établie, qui libère des sédiments sans provoquer un retrait excessif des berges qui puisse compromettre la sécurité d'un chenal de navigation adjacent. Par la suite, l'aptitude du modèle numérique Telemac2D à modéliser l'érosion et les processus de rupture de berge a été évaluée. L'algorithme existant de rupture de berge a été modifié pour améliorer les résultats, et les développements implémentés ont été validés par des comparaisons sur des cas-tests de laboratoire. Enfin, les essais du modèle physique ont été simulés numériquement à la même échelle. Les simulations reproduisent les processus observés sur le modèle physique, et les volumes de sédiments érodés et déposés sont du même ordre de grandeur que ceux mesurés / Sediment transport dynamics, often heavily modified by river training, are not yet sufficiently considered as a significant factor in riparian environmental quality and river restoration strategies. Approaches for restoring a river's sediment in quantity and in grain size distribution, so that it is compatible with both ecological and human needs, are still under development. Furthermore, existing approaches such as direct sediment injection are often expensive and require human intervention. This thesis explores induced bank erosion, a more environmentally sustainable alternative. This approach involves increasing the potential for erosion at certain sites along the bank of a trained river, and allowing them to be eroded during high flow periods. Two modelling approaches, physical scaled models and numerical simulation, were used to study a site located on the Old Rhine downstream of Basle (Switzerland) where existing bank protection groynes will be modified to induce bank erosion. Firstly, different modification options were tested over a range of flow rates with a Froude-scaled undistorted movable-bed physical model. The physical model used a mixture of four grain sizes to reproduce the bank grain size distribution found at the site, and was scaled according to a specific method which accurately represents initiation of motion for each grain size. An effective bank erosion strategy was found that releases sediment without compromising the safety of an adjacent navigation channel through excessive bank retreat. Subsequently, the capability of the Telemac2D two-dimensional depth-averaged numerical modelling system to model bank erosion and failure processes was assessed, and the existing bank failure algorithm was modified in order to improve results. Algorithm developments were tested with two laboratory test cases. Then, the physical model tests were simulated at their same scale. Simulations reproduced the processes present in the physical model tests, and volumes of eroded and deposited sediment were of the same order of magnitude

Dans la société moderne, l'aménagement du territoire peut augmenter la quantité d'eaux de ruissellement et sa charge de polluants associé. Plusieurs auteurs ont étudié des eaux de ruissellement transportant de la pollution dissoute, colloïdale et des composants solides de la ville. Un milieu poreux, tels que le sol, les roches, éponges, etc , est un matériau contenant un grand nombre de vides (pores) situées au hasard, de taille supérieure à l'échelle interatomiques. Les phénomènes de transport à l'interface entre un écoulement fluide et un milieu poreux font l'objet de recherches importantes à la fois pour comprendre les phénomènes d'infiltration dans le milieu poreux et aussi en raison de leur large champ d'application, par exemple en hydrologie urbaine, la pollution et dépollution des sols, le traitement de l'eau, etc. Comme dans l'hydrologie naturelle, l'hydrologie urbaine étudie l'érosion et les phénomènes de colmatage de la route qui causent beaucoup de pertes économiques et même menacent la vie des gens. Une meilleure compréhension des détails du flux de sédiments près de la surface de la route (milieu poreux) aidera à améliorer la conception des routes et à fournir des solutions optimisées. L'écoulement sur un milieu poreux combine une partie dessus et une partie à travers le milieu poreux. En raison de l'interaction entre l'écoulement de surface et d'infiltration à l'intérieur de la région poreuse, cette interaction affecte à la fois la le flux liquide et le flux de sédiments. L'effet de l'interaction entre le flux d'infiltration et l'écoulement de surface a été étudiée par plusieurs précurseurs qui ont développé soit un modèle microscopique soit un modèle macroscopique permettant une simulation numérique de l'écoulement turbulent dans la région poreuse. La plupart des études sur les flux en milieu poreux utilise des modèles macroscopiques en une ou deux dimensions (2D) lit poreux. Cependant en utilisant ces modèles il n'est pas possible d'avoir un aperçu détaillé de la structure de l'écoulement au voisinage de l'interface avec le milieu poreux. Ces dernières années, en raison du développement de la capacité de calcul, des simulation de mécanique des fluides numérique (CFD) complexe peuvent être effectuée. De plus, la méthode des éléments discrets (DEM), développé par Cundall et Strack, a été beaucoup utilisée pour étudier le comportement des solides granulaires soumis à une variété de conditions de chargement dans le but de comprendre et de prédire les résultats macroscopiques. Dans cette étude, les caractéristiques d'un écoulement à surface libre de faible profondeur, sur un lit poreux ainsi que le transport des sédiments induit sont étudiés tant numériquement que expérimentalement.