De nos jours, le respect de l'environnement est une obligation dans le cadre de travaux maritimes. Les caissons en béton verticaux à plaques poreuses sont souvent la solution technique privilégiée pour agrandir les ports existants et / ou améliorer l'agitation des bassins. L'empreinte au sol est réduite et la demande en matériaux de carrière est moins importante par rapport aux digues en enrochement classiques. Récemment, des systèmes alternatifs aux caissons en béton verticaux ont été conçus. Les structures amortisseuses de la houle à enrochements verticalisés sont constituées d'une structure métallique entourant des blocs. Ce type de structure offre des avantages environnementaux, une perméabilité aux courants et une bonne performance hydrodynamique. Ce travail de thèse visait à développer un nouveau code 3D-BEM facile à utiliser et intégrant les écoulements en milieux poreux. Des géométries innovantes sont testées comme des gabions espacés avec une chambre d’expansion ou un mélange de plaques poreuses et de milieux poreux.La description des écoulements dans un milieu poreux est une question complexe. Navier-Stokes moyenné au sens de Reynolds (RANS) est le processus mathématique communément utilisé pour modéliser les écoulements en milieux poreux. Ce dernier est considéré comme un milieu continu homogène. L'équation bien connue de Forchheimer étendue décrit les forces volumiques appliquées à l'écoulement par un milieu poreux à travers des coefficients de résistance et d'inertie. Ces recherches ont été l’occasion d’examiner ces coefficients, notamment celui d'inertie mal connu dans le cas d’un milieu poreux. Il joue un rôle majeur pour les écoulements à très faible KC se produisant dans les couches internes des digues poreuses. Une analyse de la littérature sur les écoulements de milieux poreux a été entreprise. Le code numérique appelé Diffra3D a été développé. Il a ensuite été utilisé pour rechercher des coefficients de résistance de milieux poreux à l'aide de données provenant de trois campagnes expérimentales : un test de sloshing sur hexapode et deux études classiques de transmission/réflexion en canal à houle. Celles-ci ont également été l'occasion de tester et de calibrer le code. De nouvelles géométries de structures poreuses ont ensuite été testées expérimentalement et numériquement.Deux nouvelles valeurs de coefficients de résistance d'un milieu poreux sont proposées pour les écoulements à très faibles KC. Certaines caractéristiques intéressantes concernant le coefficient d'inertie CM d'un milieu poreux sont également développées. Ce sujet de recherche mériterait encore d’être approfondi pour tenter de trouver une ou plusieurs loi(s) empirique(s) décrivant l’évolution du coefficient d'inertie dans ce régime spécifique d’écoulement. Le code Diffra3D fonctionne de façon satisfaisante pour modéliser les écoulements en milieu poreux. Il est cependant limité aux vagues à faibles cambrures. Tout l'enjeu est de bien caractériser le milieu poreux étudié. L'utilisation de Diffra3D a permis de montrer que les structures poreuses verticales innovantes, telles que les gabions espacés, ont entièrement leur place en tant que digues amortisseuses de la houle respectueuses de l'environnement. Elles pourraient être couramment utilisées dans le futur. / Nowadays the respect of the environment is an obligation in maritime works. Vertical concrete caissons with porous plates are often the number one technical solution to enlarge existing ports and/or to improve the agitation of the basins. The footprint is reduced and the demand in quarry materials is less important compared to classical riprap breakwaters. Recently, alternative systems to vertical concrete caissons have been designed. Vertical riprap breakwaters are made of a metal framework enclosing blocks. This kind of structure offers environmental benefits, permeability for currents and a good hydrodynamic performance. This thesis work looks at developing a new 3D-BEM code that is easy to use and integrates porous media. Innovative geometries are tested like spaced gabions with damping chamber or a mix of porous plates and porous media.Describing flows in porous media is an complex issue. Volume averaging method is the common mathematical process used to model porous media flows without drawing every grain of a porous medium. The well-known extended Forchheimer equation describes the volumetric forces applied to the flow by a porous medium through resistance and inertial coefficients. These researches were the occasion to look into this coefficients, especially the one of poorly understood inertia in the case of a porous medium. It plays a major role in very low-KC flows currently occurring in porous breakwaters apart from armour layer.First, a literature review on porous media flows was undertaken. In parallel, the numerical code called Diffra3D was produced. It was then used to look for resistance coefficients of porous media through data coming from three experimental campaigns : one sloshing test on hexapode and two classical reflection-transmission studies in a wave tank. These campaigns were also the occasion to test and calibrate the code. New geometries of porous structures were then tested experimentally and numerically. Two new values of resistance coefficients of a porous medium are proposed. Some interesting features concerning the inertia coefficient CM of a porous medium are also developed. In simulations, we observe that the hydrodynamic behaviour of porous structures in low-KC flows is very sensitive to the coefficient of inertia. This research topic would still deserve further studies in order to find empirical law(s) for the inertia coefficient of a porous medium. The code Diffra3D performs well to model porous media flows. However, it is limited to waves with low steepness. The challenge is to properly characterise the porous medium. This research has shown that innovative porous structures like spaced gabions have proven their place as environmentally-friendly damping breakwaters. They may be commonly used in the future.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2019ECDM0003 |
| Date | 18 July 2019 |
| Creators | Milesi, Paul |
| Contributors | Ecole centrale de Marseille, Kimmoun, Olivier |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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