Durant les dernières décennies, des études théoriques sur la superposition d'une houle et d'un courant uniforme ou non-uniforme ont été effectuées et ont permis d'établir un certain nombre de relations explicitant ce phénomène. Le présent mémoire porte sur des études expérimentales effectuées en laboratoire et au cours desquelles les caractéristiques d'une houle superposée à des courants uniforme et non-uniforme ont été mesurées. On note que les relations établies â partir de la théorie linéaire de la houle sont valables tant que la cambrure des vagues reste très faible. La profondeur a également une influence sur le processus d'interaction houle-courant. Certaines conditions â respecter dans de futures études sont énoncées en conclusion.

Th. doct.-ing.--Mécanique--Paris--ENSTA, 1989. / Bibliogr. p. 257-258.

Proefschrift--Th. doct. techniques--Technische Universiteit Delft, 1997. / Bibliogr. p. 127-136.

Thèse de doctorat : Sciences et Environnements. Physique de l'Environnement : Bordeaux 1 : 2009. / Titre provenant de l'écran-titre.

Th. doct.--Paris--Éc. natl. des ponts et chaussées, 1989. / 1989 d'après la déclaration de dépôt légal. Bibliogr. p. 259-271.

L'objectif de ces travaux est d'étudier la dynamique de différents types de vagues extrêmes en eau peu profonde et plus particulièrement les tsunamis et les vagues scélérates. Pour modélisation et analyse, les simulations numériques sont réalisées à l'aide d'une méthode d'intégrales de frontières appelée BIEM (Boundary Integral Equation Method). Dans un premier temps nous considérons numériquement la dynamique des ondes solitaires, modèles simples pour les vagues de tsunamis dont la phase appelée "runup" sera l'objet d'un développement particulier. Afin de valider le modèle BIEM, nous confrontons les résultats numériques d'une onde solitaire déferlante avec une approche expérimentale. Une méthode de génération numérique de ces ondes est ensuite développée. Enfin une étude complète sur la collision frontale de deux ondes solitaires de Tanaka est effectuée. Un nouveau phénomène est alors découvert, puis exploré, la formation d'un jet résiduel en chute libre apparaissant à partir d'une valeur critique du paramètre de non linéarité a/h. Nous considérons ensuite numériquement la génération de vagues scélérates en eau peu profonde par focalisation d'énergie due à la nature dispersive des vagues. Ce travail s'attache à étudier entre autres l'influence du vent sur la dynamique de ces vagues. Le mécanisme d'abri proposé par Jeffreys est modifié par l'introduction d'un seuil de pente pour lequel un décollement aérien au-dessus des vagues apparaît. Ces vagues sont alors amplifiées et leur durée de vie est significativement augmentée."

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

La modélisation de vagues et de leur impact côtier et offshore (déferlement, interactions avec les structures, tsunami) reste un problème difficile à appréhender du fait de la complexité des phénomènes physiques mis en jeu. Dans cette thématique, une étude numérique des processus physiques est effectuée dans le cadre de cette thèse. L’objectif de la thèse est ainsi d’améliorer le domaine de validité du code en y développant des méthodes numériques performantes qui permettraient une grande précision des résultats des simulations et des gains en temps de calcul. Le modèle numérique utilisé repose sur les équations d'Euler 3D multi-fluides. Une méthode de compressibilité artificielle permet une approche explicite et une parallélisation efficace. Le modèle bi-fluide à faible Mach, déjà validé avec des données expérimentales, repose sur une approximation par volumes finis avec un schéma de Godunov du second ordre en temps et en espace. Dans le cadre de nos travaux, une modification de la technique d’intégration en temps du solveur basée sur l’intégration d’Adams-Bashforth multi-pas avec une approche multi-échelle dans laquelle le pas de temps est ajusté à la taille locale du maillage et une méthode de compression d’interface pour une meilleure précision de l’interface entre les fluides sont implémentées dans le code. Ces méthodes numériques ont été validées avec des mesures expérimentales dans le cas d’un déferlement 2D et de la rupture 3D de barrage avec obstacle. Des comparaisons expérimentales et numériques ont permis de constater la pertinence des développements apportés au logiciel avec une amélioration de la précision des résultats et une diminution des temps de calcul. / The aim of the thesis is thus to improve the field validity for the CFD(Computational Fluid Dynamics) code for waves modelling, by integrating new numerical methods more efficient. The project should eventually lead to make a powerful simulation tool that can be used for forecasting the impact of waves in coastal areas and offshore. It is therefore completely in line with PRINCIPIA development activities in hydrodynamic with the aim of strengthening its position and support its growth. In this paper, we first focus on the specific problem of numerical diffusion for the convection equation that models the two fluid interface discontinuities. Interface compression methods allowing limiting the interface diffusion problem are presented. The main advantages of these compression methods are that they keep properly the interface and minimize the spurious free surface diffusion which may be beneficial in case of strongly nonlinear motion of the free surface. Moreover, they are easy to implement for problems in two or three dimensions. In the other hand, an improvement of the solver is presented; it concerns the development and validation of the Adams-Bashforth multi-scale time integration method which adjusts the time step depending on the local size cell. The advantage of this method is that it significantly reduces the computation time when small cells are mixed with large cells in the mesh domain. Each cell is assigned with a level of CFL only based on a geometric criterion. The improved model is validated. It is confronted with experimental results of 2D solitary wave breaking on a sloping bottom and the 3D dam break problem over a rectangular obstacle. In both cases, a very satisfactory agreement is found, with a better interface definition with the sharpening method and a significant gain in CPU time with Adams-Bashforth multi-scale time integration method.

Le phénomène de vague scélérate, qui constitue un enjeu majeur pour la sécurité maritime, ne peut être corrélé à un phénomène géophysique particulier. En effet, de telles vagues peuvent surgir sur tous les océans du monde, en eaux profonde ou peu profonde, en eaux calmes ou en zone de tempête. Ce travail s'attache à étudier l'influence du vent sur la dynamique de ces vagues. \newline Une approche expérimentale a mis en évidence que des vagues scélérates générées par focalisation d'énergie due à la nature dispersive des vagues, étaient légèrement amplifiées par le vent, et que leur point de formation variait peu, mais surtout que leur durée de vie était significativement augmentée. Une forte asymétrie est effectivement observée entre les phases de focalisation et de défocalisation. Des simulations numériques sont réalisées dans le but d'analyser, de comprendre, et de modéliser ce phénomène. Les expériences effectuées dans la grande soufflerie des échanges air-mer de Luminy sont reproduites dans un canal numérique à partir d'une méthode d'intégrales de frontière. Le mécanisme de Miles, ainsi que le mécanisme d'abri de Jeffreys modifié sont tous les deux considérés pour modéliser l'influence du vent. Le mécanisme d'abri proposé par Jeffreys est modifié par l'introduction d'un seuil de pente pour lequel un décollement de l'écoulement aérien se produit au-dessus des crêtes les plus cambrées. Les vagues scélérates peuvent également être dues à un autre mécanisme physique : l'instabilité modulationnelle des champs de vagues ou instabilité de Benjamin-Feir. Une extension de l'étude à des vagues scélérates obtenues par instabilité modulationnelle est donc développée. Des simulations numériques de ce phénomène à partir d'un modèle pseudo-spectral ont été réalisées. Ces simulations montrent, comme dans le cas de la focalisation dispersive, que le mécanisme d'abri modifié de Jeffreys augmente la durée de vie de ces vagues extrêmes, bien que la physique mise en oeuvre soit différente. Cependant, ces approches reposent toutes sur un couplage vent/vagues linéaire sans rétroaction des vagues sur l'écoulement aérien, ainsi qu'une description potentielle de l'écoulement. Or la présence d'une recirculation (tourbillon aérien) au-dessus des crêtes les plus hautes mise en évidence expérimentalement ne peut être correctement simulé que si la vorticité est prise en compte. Nous introduisons donc une approche numérique permettant la simulation de l'écoulement rotationnel et diphasique de deux fluides visqueux séparés par une interface.

La modélisation de vagues et de leur impact côtier et offshore (déferlement, interactions avec les structures, tsunami) reste un problème difficile à appréhender du fait de la complexité des phénomènes physiques mis en jeu. Dans cette thématique, une étude numérique des processus physiques est effectuée dans le cadre de cette thèse. L'objectif de la thèse est ainsi d'améliorer le domaine de validité du code en y développant des méthodes numériques performantes qui permettraient une grande précision des résultats des simulations et des gains en temps de calcul. Le modèle numérique utilisé repose sur les équations d'Euler 3D multi-fluides. Une méthode de compressibilité artificielle permet une approche explicite et une parallélisation efficace. Le modèle bi-fluide à faible Mach, déjà validé avec des données expérimentales, repose sur une approximation par volumes finis avec un schéma de Godunov du second ordre en temps et en espace. Dans le cadre de nos travaux, une modification de la technique d'intégration en temps du solveur basée sur l'intégration d'Adams-Bashforth multi-pas avec une approche multi-échelle dans laquelle le pas de temps est ajusté à la taille locale du maillage et une méthode de compression d'interface pour une meilleure précision de l'interface entre les fluides sont implémentées dans le code. Ces méthodes numériques ont été validées avec des mesures expérimentales dans le cas d'un déferlement 2D et de la rupture 3D de barrage avec obstacle. Des comparaisons expérimentales et numériques ont permis de constater la pertinence des développements apportés au logiciel avec une amélioration de la précision des résultats et une diminution des temps de calcul.