Дисертації з теми "Hydrodynamique tidale"

Les phanérogames marines sont un compartiment biologique fondamental au bon maintien des environnements côtiers grâce aux nombreux services écosystémiques qu’elles fournissent. Au cours des dernières décennies, leur surface a été considérablement réduite à l’échelle mondiale, entraînant la perte de leurs fonctions régulatrices, notamment des conditions hydrodynamiques et des flux sédimentaires. Dans ce contexte, cette thèse s’attache à mieux comprendre la réponse des processus hydro-sédimentaires des lagunes côtières peu profondes au déclin d’espèces intertidales, à travers l’étude régionale de l’effet de la régression des herbiers de zostères (Zostera noltei et Zostera marina) du Bassin d’Arcachon. Cette analyse a été menée grâce à de la modélisation numérique, qui a nécessité de développer et mettre en place une plateforme de modélisation bio-hydro-sédimentaire, constituée de quatre modèles couplés (modèle hydrodynamique, modèle de vagues, modèle de transport sédimentaire et modèle de croissance des zostères), prenant tous en compte l’influence de la végétation. Une attention particulière a été portée à l’implémentation de la végétation dans le modèle de vague et le modèle de transport, en utilisant des approches combinant expériences en laboratoire, de terrain et de la modélisation numérique. Dans un premier temps, l’influence de la régression des herbiers de zostères a été étudiée sur les conditions hydrodynamiques et a révélé d’importantes modifications de l’hydrodynamique tidale et des conditions de vagues, notamment l’intensification des vitesses sur le fond de l’ordre de 100 % et de la hauteur de vagues de 50 % sur les estrans où les herbiers ont le plus décliné. Ensuite, la contribution de la régression des herbiers sur la modification de l’hydrodynamique tidale a été comparée à celle induite par la reconfiguration des Passes, montrant que le déclin des herbiers a été le principal responsable de la modification des vitesses sur les estrans et chenaux à l’intérieur du Bassin. En réponse au déclin de Zostera spp., ainsi qu’à l’intensification des conditions hydrodynamiques qui en a résulté, cet environnement a subi d’importantes modifications de la dynamique sédimentaire. Les flux d’érosion et de dépôt ont été particulièrement impactés par le déclin, générant des concentrations en matières en suspension de 2 à 6 fois plus importantes. La régression des herbiers a également perturbé les échanges sédimentaires entre la lagune et l’océan ouvert, ainsi qu’entre les différentes zones du Bassin, donnant lieu à une redistribution des différentes classes sédimentaires et à la modification de la composition du sédiment superficiel. Les estrans situés le long des côtes ont eu tendance à s’accréter et à s’envaser, alors que les estrans plus centraux ont eu tendance à s’éroder et devenir plus sableux. En particulier, nous avons montré que la régression des herbiers est le principal responsable des évolutions bathymétriques observées à l’intérieur du Bassin. Enfin, l’évolution potentielle des herbiers de zostères a été étudiée à travers différentes conséquences du changement climatique que sont la hausse du niveau marin et l’évolution des températures de l’air et de l’eau. Une attention particulière a été portée à la génération de forçages environnementaux futurs, reproduisant les éventuelles températures et le niveau marin à l’horizon 2050. La biomasse des herbiers a témoigné de réponses contrastées à ces deux processus, très dépendantes de plusieurs facteurs environnementaux (profondeur, exposition à l’hydrodynamique, temps de renouvellement). Nous avons également montré que, plus que l’augmentation des températures moyennes, c’est l’augmentation de la fréquence et de l’intensité des événements extrêmes de température qui devrait être le principal facteur de contrôle des évolutions de biomasse dans le Bassin d’Arcachon
Seagrass meadows provide numerous ecosystem services and constitute a fundamental biological component for the sustainability of coastal environments. Over the past decades, the surface colonized by seagrasses has drastically declined globally, reducing their capacity to regulate hydrodynamic conditions and sediment fluxes. In this context, this work aims to better understand the response of hydro-sedimentary processes to the decline of intertidal seagrass in a shallow coastal lagoon. For this purpose, the Arcachon lagoon (France), extensively colonized by seagrass meadows (Zostera noltei and Zostera marina), was used as a study area. This analysis was conducted through a numerical modeling approach that required the preliminary development and implementation of a hydro-bio-sedimentary modeling platform, consisting of four coupled models (flow model, wave model, sediment transport model, and seagrass growth model), all accounting for the effect of vegetation. Specific attention was paid to the implementation of vegetation in the wave and sediment models, utilizing combined numerical, field, and laboratory experiments. The impact of seagrass decline was first studied on hydrodynamics, revealing significant changes in tidal hydrodynamics and the wave regime, especially an intensification in bottom current velocities by 100% and wave height by 50% on the tidal flats. Further investigation into the relative influence of seagrass decline and morphological evolutions of the inlet on tidal hydrodynamics showed that vegetation loss was the main factor influencing the modification of current velocities inside the lagoon. In response to the decline of Zostera spp. and the subsequent intensification of hydrodynamic conditions, this environment underwent significant changes in sediment dynamics. Modification of erosion and deposition fluxes resulted in suspended sediment concentrations 3 to 6 times higher in the areas where vegetation decreased the most. Seagrass decline also impacted sediment transport between the lagoon and the open ocean, as well as among different areas of the lagoon, leading to the redistribution of the different sediment classes and altering the composition of the seabed sediment. The tidal flats located along the coastlines accreted and became siltier, while those in the center of the lagoon eroded and became sandier. In particular, our results demonstrated that seagrass decline was the primary contributor to the observed bathymetric changes in the lagoon. Finally, potential evolutions of marine phanerogams were investigated, considering various consequences of climate change such as sea level rise and increase of temperature. For this analysis, special consideration was given to generating environmental forcing that reproduces potential temperature and water level conditions by 2050. Seagrass biomass exhibited contrasting responses to these processes, clearly dependent on multiple environmental factors (depth, hydrodynamic exposure, renewal time). We also showed that, beyond global warming, it is the increase in frequency and intensity of extreme temperature events that are expected to induce the most significant changes in seagrass biomass

L’intérêt porté aux Energies Marines Renouvelables (EMR) est accru car elles sont vues comme une solution possible pour réduire les émissions de gaz à effet de serre. Parmi les différents types d’EMR, l'énergie cinétique des courants de marée présente un intérêt particulier. La France possède le deuxième potentiel de production d’énergie électrique à partir des courants de marée en Europe. Le site du Raz Blanchard capitalise environ 50% de cette ressource nationale. Deux des plus grandes problématiques du développement commercial des fermes d’hydroliennes sont l’optimisation du positionnement des turbines pour maximiser le productible et la gestion de l’énergie pour optimiser la production. Ces deux aspects dépendent de l’effet de sillage et de la commande de la chaîne électrique de conversion. Les objectifs de cette thèse sont le développement d’un outil d’optimisation pour maximiser le productible d’un parc d’hydroliennes et d’amélioration la commande de la chaîne électrique. Dans cette optique, un modèle analytique de sillage des turbines dans une ferme d’hydroliennes est développé et validé. Puis, plusieurs d’algorithmes d’optimisations sont mis en place et comparés pour résoudre le problème du positionnement des turbines dans un parc. L’outil d’optimisation est appliqué au Raz Blanchard. Enfin, tous les composants de la chaîne de conversion électrique sont modélisés et différentes stratégies pour la maximisation de la production électrique sont explorées. Un modèle de la chaîne électrique et de la commande est implémenté pour analyser le comportement dynamique d’un parc d’hydroliennes sujet aux changements en vitesse des marées dans le Raz Blanchard et à des perturbations dans le réseau
Interest in Marine Renewable Energies (MREs) is growing worldwide because they are seen as a potential solution to reduce the emission of greenhouse gases. Among the different types of MRE tidal current energies are the most attractive. France has the second European production potential of electrical energy from tidal currents. The Alderney Race (Raz Blanchard in French) capitalizes about half of the national resource. Two of the main issues for the commercial development of tidal farms is the optimization of the turbines layout for maximizing the producible energy and the energy management for optimizing the energy production. These aspects depend on the wake effect and on the control of the electrical conversion chain. The objectives of this dissertation are the development of an optimization tool to maximize the producible energy of a tidal farm and the improvement of the control of the electrical chain. To this scope, an analytical model of the wake effect in a park is developed and validated. Moreover, different types of optimization algorithms are compared to solve the tidal farm layout optimization problem. The optimization tool is presented and tested in one site in the Alderney Race. Finally, all the components of the electrical conversion chain are modelled and different strategies to maximize the electrical production of the tidal farm are compared. A complete electrical model including all the components and the control are implemented to test the dynamic behavior of a hypothetical tidal farm subject to the changes in tidal speed in a site in the Alderney Race and to grid disturbances

Dans cette thèse, on étudie les écoulements oscillatoires en milieux poreux (non saturés ou partiellement saturés) dus à des oscillations tidales des niveaux d'eau dans des milieux ouverts adjacents aux milieux poreux. L'étude est centrée sur le cas des plages de sable en hydrodynamique côtière, mais les applications concernent, potentiellement et plus généralement, les problèmes d'oscillation et de variation temporelle des niveaux d'eau dans des systèmes couplés, lorsque ceux-ci mettent en jeu des interactions entre les écoulements de sub-surface (milieux poreux) et les eaux de surface (milieux ouverts) : plages naturelles et artificielles; digues portuaires; barrages en terre; berges de fleuves; estuaires. Le forçage tidal des écoulements souterrains est représenté et modélisé ici, tant expérimentalement que numériquement, par une oscillation quasi-statique du niveau d'eau dans un réservoir externe ouvert, connecté au domaine poreux. On s'intéresse plus particulièrement aux écoulements verticaux forcés par une pression oscillatoire imposée au bas d'une colonne de sol. Sur le plan expérimental, ce type de forçage est obtenu par une machine à marée équipée d'un arbre rotatif. Au total, on utilise dans ce travail trois types d'approches (expérimentale, numérique, analytique), l'objectif étant d'étudier le mouvement vertical de la surface "libre" et l'écoulement non saturé sus-jacent, de façon à prendre en compte aussi bien les pertes de charge dans la zone saturée que les gradients de pression capillaire dans la zone non saturée. […]
In this thesis, we study hydrodynamic oscillations in porous bodies (unsaturated or partially saturated), due to tidal oscillations of water levels in adjacent open water bodies. The focus is on beach hydrodynamics, but potential applications concern, more generally, time varying and oscillating water levels in coupled systems involving subsurface / open water interactions (natural and artificial beaches, harbor dykes, earth dams, river banks, estuaries). The tidal forcing of groundwater is represented and modeled (both experimentally and numerically) by quasi-static oscillations of water levels in an open water reservoir connected to the porous medium. Specifically, we focus on vertical water movements forced by an oscillating pressure imposed at the bottom of a soil column. Experimentally, a rotating tide machine is used to achieve this forcing. Overall, we use three types of methods (experimental, numerical, analytical) to study the vertical motion of the groundwater table and the unsaturated flow above it, taking into account the vertical head drop in the saturated zone as well as capillary pressure gradients in the unsaturated zone. Laboratory experiments are conducted on vertical sand columns, with a tide machine to force water table oscillations, and with porous cup tensiometers to measure both positive pressures and suctions along the column (among other measurement methods). Numerical simulations of oscillatory water flow are implemented with the BIGFLOW 3D code (implicit finite volumes, with conjugate gradients for the matrix solver and modified Picard iterations for the nonlinear problem). In addition, an automatic calibration based on a genetic optimization algorithm is implemented for a given tidal frequency, to obtain the hydrodynamic parameters of the experimental soil. Calibrated simulations are then compared to experimental results for other non calibrated frequencies. Finally, a family of quasi-analytical multi-front solutions is developed for the tidal oscillation problem, as an extension of the Green-Ampt piston flow approximation, leading to nonlinear, non-autonomous systems of Ordinary Differential Equations with initial conditions (dynamical systems). The multi-front solutions are tested by comparing them with a refined finite volume solution of the Richards equation. Multi-front solutions are at least 100 times faster, and the match is quite good even for a loamy soil with strong capillary effects (the number of fronts required is small, no more than N≈ to 20 at most). A large set of multi-front simulations is then produced in order to analyze water table and flux fluctuations for a broad range of forcing frequencies. The results, analyzed in terms of means and amplitudes of hydrodynamic variables, indicate the existence, for each soil, of a characteristic frequency separating low frequency / high frequency flow regimes in the porous system

Dans les galaxies en interaction, de colossales forces de marée perturbent la morphologie des progéniteurs pour engendrer les longs bras d'étoiles, gaz et poussières que l'on observe parfois. En plus de leur effet destructeur, les forces de marée peuvent, dans certain cas, se placer dans une configuration protectrice appelée mode compressif. De tels modes protègent alors la matière en leur sein, en augmentant son énergie de liaison. Cette thèse se concentre sur l'étude de ce régime peu connu en quantifiant ses propriétés grâce à des outils numériques et analytiques appliqués à un spectaculaire système de galaxies en fusion, communément appelé les Antennes. Des simulations N-corps de cette paire de galaxies montrent la présence de modes compressifs dans les régions où les observations révèlent un sursaut de formation stellaire. De plus, les temps et énergies caractéristiques de ces modes correspondent à ceux de la formation de sous-structures autogravitantes telles que des amas stellaires et des naines de marée. Des comparaisons avec les taux de formation stellaire dérivés de simulations hydrodynamiques confirment la corrélation entre les positions des modes compressifs et les sites où la formation des étoiles est certainement amplifiée. Mis bout-à-bout, ces résultats suggèrent que les modes compressifs des champs de marée jouent un role important dans la formation et l'évolution des jeunes amas, au moins d'un point de vue statistique, sur une échelle de temps de l'ordre de dix millions d'années. Des résultats préliminaires de simulations d'associations stellaires soulignent l'importance de plonger les amas dans leur environnement galactique en évolution, pour tenir compte précisément de leur morphologie et évolution interne. Ces conclusions ont été étendues à de nombreuses configurations d'interaction et restent robustes aux variations des principaux paramètres caractérisant les paires de galaxies. Nous notons cependant une nette anti-corrélation entre l'importance du mode compressif et la distance entre ces galaxies. De nouvelles études incluant les aspects hydrodynamiques sont maintenant en cours et aideront à préciser le rôle exact du mode compressif dans la formation et la survie des amas d'étoiles. Les premières comparaisons avec de telles simulations suggèrent que les modes compressifs agissent en tant que catalyseurs ou amorces de la formation stellaire.

Les Pertuis Charentais sont un site d’écosystèmes interconnectés où les courants marins jouent un rôle déterminant. Un modèle de marée à haute résolution a été développé au cours de cette thèse pour comprendre et cartographier les traits principaux de la circulation hydrodynamique dans les Pertuis. Deux axes sont ainsi mis en avant dans cette étude. D’abord, un nouveau modèle de marées dans les Pertuis Charentais a été construit et validé à partir de différentes sources : données marégraphiques, données de courantomètres ADCP et images satellitaires. Une nouvelle approche de calibration de modèle de marée a été développée, basée sur la comparaison de la position de la ligne d’eau, frontière entre l’eau et la terre, avec celle prédite par le modèle. Puis dans un second temps, le transport et les agrégations en « bloom » de populations de méduses Rhizostoma, dont les proliférations et les échouages sont à l’origine de problèmes socio-économiques, ont été simulés numériquement. Des observations in situ ont permis de paramétrer le comportement de nage des méduses dans le modèle. Deux types de comportements des méduses, actif et passif ont été simulés. Les courants de marées en présence des forçages-type météorologiques ont été pris en compte. Les résultats indiquent que le comportement individuel de nage des méduses pourrait être une réponse adaptative aux facteurs abiotiques qui menacent la continuité de leur espèce mais que les courants marins restent la cause première de la formation des blooms
The Pertuis Charentais are an interconnected ecosystems site where ocean currents play a key role. A high resolution tidal model was developed in this thesis in order to understand the main features of the hydrodynamic flows inside the Pertuis. Two topics were put forward in this study. First, a new tide model for the Pertuis Charentais was build up and validated by using different datasets: tide gauge records, measurements of currents by ADCP and satellite images. A new approach to model calibration was developed by comparing the observed position of the waterline, the boundary between land and water, with that predicted by the model. Secondly, the transport and bloom-like aggregation of the Rhizostoma jellyfish populations were simulated numerically. The jellyfish proliferation and stranding are a source of socio-economic problems. Two types of jellyfish behavior, active and passive were simulated. The tidal currents and typical meteorological forcing were taken into account. The results show that the individual behavior of swimming jellyfish is an adaptive response to abiotic factors for jellyfish survival

En dépit d’un développement opérationnel actuel seulement émergeant le long des côtes françaises, l’extraction de l’énergie cinétique des courants de marée par les hydroliennes apparaît, dès à présent, comme une solution prometteuse pour contribuer, localement, à la transition énergétique de territoires insulaires déconnectés du réseau électrique continental, ayant des besoins électriques limités, et situés dans des espaces naturels sensibles et/ou touristiques intégrant un patrimoine visuel à préserver. Ce travail de thèse se consacre à la modélisation numérique tridimensionnelle des impacts hydrodynamiques et sédimentaires d’hydroliennes d’axe horizontal déployées dans le site pilote d’implantation de fermes hydroliennes du Passage du Fromveur, au cœur du parc naturel marin d’Iroise, à la pointe Bretagne. Les simulations numériques se basent sur le modèle océanographique ROMS (« Regional Ocean Modelling System ») modifié pour intégrer un sous-modèle théorique de disque actuateur assimilant l’hydrolienne à un disque poreux opposant à l’écoulement une force équivalente à la poussée de la turbine. La méthode est validée avec des mesures effectuées en laboratoire dans le sillage d’un disque poreux de 10 cm de diamètre (D) immergé dans un courant permanent. Une résolution spatiale minimale égale à D/10 est nécessaire pour reproduire les observations. Après une étude de convergence numérique à échelle réelle, le modèle ROMS est appliqué, selon une approche gigogne de maillages imbriqués focalisée sur le Passage du Fromveur, pour examiner les interactions des sillages et les effets cumulés au sein d’un parc de huit turbines de 10 m de diamètre susceptible de satisfaire au besoin énergétique de l’île d’Ouessant. L’agencement des turbines suit les recommandations communément adoptées avec une disposition en quinconce et des espacements longitudinaux de 10D et latéraux de 5D. En condition de vive-eau moyenne, le désalignement du courant au pic de flot exacerbe les interactions entre sillages, réduisant la production énergétique du parc de près de 15 % par rapport à celle du pic de jusant. Ce déficit de production énergétique est limité à 2 % en ramenant l’espacement latéral des turbines à 3D. Les prédictions de ROMS sont enfin exploitées pour appréhender l’influence de cette dernière configuration de parc sur la dynamique sédimentaire locale. Les principaux effets attendus concernent (i) le dépôt de sédiments de plus de 2 mm de diamètre dans le sillage des dispositifs et (ii) la mise en mouvement de cailloutis de 5 cm de diamètre entre les sillages
In spite of a present only emerging operational development along the coast of France, the extraction of the kinetic energy of tidal currents by turbines appears as a promising solution to contribute locally to the energetic transition of insulary territories that are not connected to the continental electricity grid, with limited power needs, and are located in protected and touristic natural areas with a visual heritage to preserve. This doctoral thesis was devoted to the three-dimensional numerical modelling of the hydrodynamic and sedimentary impacts induced by horizontal-axis turbines deployed within the pilot site of the Fromveur Strait, in the natural marine Iroise park, off western Brittany. Numerical simulations are performed with the oceanographic model ROMS (Regional Ocean Modelling System) modified to integrate a theoretical actuator-disk sub-model that assimilates the device to a porous disc opposing the flow with a force equal to the turbine’s thrust. This method was assessed against laboratory measurements within the wake of a porous disc with a diameter (D) of 0.1 m immersed in a permanent flow. A spatial resolution as small as D/10 was required to reproduce observations. After a numerical convergence study at full scale, ROMS was applied, using a nested grid approach targetted towards the Fromveur Strait, to examine wake interactions and cumulative effects within an array of height turbines of 10-m-diameter expected to fulfill the energy need of the island of Ushant. The array layout followed the commonly recommended staggered configuration with respective longitudinal and lateral spacings of 10D and 5D. During spring tidal conditions, the misalignment of the peak flood flow enhanced the wake interactions, reducing by about 15% the array power production in comparison with the peak ebb flow. This lack of power production capacity was lowered to 2% by reducing the lateral spacing to 3D. ROMS predictions were finally exploited to address the influence of this last array of turbines on the local sediment dynamics. Main effects were expected on (i) the deposition of sediments with diameter over 2 mm within the turbine wakes and (ii) the setting in motion of gravels with a diameter of 5 cm between the wakes

L’objectif de ce mémoire est de comprendre la formation et l’évolution des flèches sableuses et des tombolos à différentes échelles spatio-temporelles. Dans cette perspective, deux sites ont été choisis, la Pointe d’Agon (Normandie) et l’isthme de Miquelon-Langlade (Archipel de St Pierre et Miquelon). La Pointe d’Agon présente la particularité d’être une flèche à crochets. Un nouveau mécanisme de formation de ce type de morphologie est proposé sur la base d’une relation entre la dynamique d’une barre de surf migrant sur un delta de jusant et celle du trait de côte. L’allongement de la flèche s’effectue de manière discontinue en parallèle de l’extension de la plate-forme sédimentaire qui la supporte. Le suivi de l’une de ces barres indique qu’elle se déplace à une vitesse de l’ordre de 35 m/an en moyenne sur quelques années. Cependant, des fluctuations de sa vitesse apparaissent à une échelle plus courte car sa cinématique est étroitement corrélée à l’agitation. Une hauteur significative de 0. 7 m est nécessaire pour provoquer sa migration. A l’échelle du processus, le déplacement s’opère essentiellement sous l’action des écoulements dans la zone de surf. La formation et la géométrie de l’isthme de Miquelon-Langlade est liée à deux facteurs importants, à savoir : la présence d’un disponible sédimentaire important et l’existence de conditions hydro-météorologiques contrastées entre les deux façades. La côte ouest présente une érosion généralisée contrairement à la côte est en accrétion. Cette évolution suggère une réouverture possible de l’isthme à court terme
The main objective of this thesis is to understand the formation and the evolution of sandy spits and tombolos using various spatio-temporal scales. In this perspective, two field sites were chosen, the Pointe d’Agon (Normandy) and the tombolo of Miquelon-Langlade (archipelago of St Pierre and Miquelon). The pointe d’Agon is a complex spit that has on its distal part several well-defined hooks. A new mechanism of formation of this type of morphology is proposed on the basis of a relation between the dynamics of a surf bar, migrating on an ebb delta, and the shoreline. The spit elongates in an intermittent way, in parallel of the extension of the sedimentary platform which supports it. The topographic monitoring of one of these bars indicates that it migrates with a mean speed of 35 m / year over several years. However, speed fluctuations appear to a shorter scale because its kinematics is strictly correlated with wave height. A significant height of 0. 7 m is necessary to induce bar migration. On the scale of the process, the movement takes place essentially during the surf action. The formation and the geometry of the Miquelon-Langlade tombolo is due to two important factors, the presence of available important sedimentary stock and the existence of different hydro-meteorological conditions between both coasts. The west coast presents generalized erosion in opposition to the accretion of the east coast. This evolution suggests a possible reopening of the tombolo in the short-term

L’objectif de la thèse est de développer un outil numérique pour la simulation des écoulements générés dans les milieux peu profonds que sont des baies tidales. Ces lagunes, protégées de la houle par un système de flèche et de passes, présentent des étendues intertidales considérables, alternativement couvertes et découvertes par l’oscillation du plan d’eau au cours de la marée. Leurs bathymétries, faites de réseaux de chenaux creusant les estrans, sont souvent fortement irrégulières. Nous cherchons donc à construire un code robuste et précis, associant de manière originale des modèles et des méthodes numériques disponibles dans la bibliothèque numérique d’un logiciel préexistant (AQUILON), dans le but de satisfaire simultanément les conditions fortes suivantes: résoudre les équations en eaux peu profondes hyperboliques (équations de Saint-Venant), permettre l’utilisation de grands pas de temps et la gestion de topographies irrégulières, enfin traiter convenablement les zones intertidales. L’outil numérique réalisé résout implicitement les équations de l’écoulement sur une grille cartésienne fixe décalée et une méthode de pénalisation assure le traitement des zones intertidales. Le code est d’abord validé sur des cas tests académiques puis appliqué à l’étude d’un site côtier naturel à bathymétrie irrégulière: le Bassin d’Arcachon. L’ajustement de l’hydrodynamique nous permet d’une part de montrer la validité de notre modèle sur site réel, d’autre part de proposer une description physique du comportement hydraulique de la lagune et d’émettre ensuite des hypothèses quant aux mouvements sédimentaires et aux évolutions morphodynamiques susceptibles d’être observés en son sein.

Dans les environnements côtiers, les interactions entre les processus morphodynamiques, océanographiques et anthropiques (agissant sur différentes échelles de temps) contrôlent l'évolution des systèmes littoraux. Cette thèse est axée sur une échelle de temps séculaire afin de déterminer l'influence non seulement des activités humaines, mais aussi l'impact du changement climatique. Le long de la côte nord de la France, des mesures de niveau d'eau ont été effectuées depuis le début du 19ème siècle et conservées dans les archives du Service Hydrographique et Océanographique de la Marine (Shom). Parrallèlement à ces mesures tidales, des levés hydrographiques ont été effectués pour cartographier les fonds marins de cette zone côtière, caractérisée par la présence de nombreux bancs sableux, formant des corps sédimentaires massifs parallèles à subparallèles au rivage. Pour déterminer les tendances à long terme, la numérisation et l'analyse des documents historiques ont été réalisées. Ceci a permis de reconstituer les variations du niveau de la mer à Dunkerque et Calais, et d'évaluer les changements de la morphologie et de la position des bancs sableux. A partir de ces séries inédites, l'étude de l'évolution des niveaux marins moyens et des composantes de marée a révélé des changements significatifs. De plus, l'évolution bathymétrique a montré des variations morphologiques importantes depuis le 19ème siècle, qui sont en grande partie dues à la mobilité des bancs sableux. Afin d'étudier l'influence des changements morphologiques sur les processus hydrodynamiques, une modélisation numérique de la propagation de la houle et de la circulation tidale a été réalisée à l'aide de module de la chaîne de calcul TELEMAC. Dans un contexte d'érosion sédimentaire, une accélération des courants et une augmentation de la hauteur des vagues le long du rivage sont détectées. Inversement, dans un contexte d'accumulation sédimentaire, nos résultats mettent en évidence une diminution de la vitesse des courants et une plus grande dissipation de l'énergie des vagues dans les petits-fonds. Cette étude souligne le rôle des rétroactions morphologiques entre l'hydrodynamique côtière et la morphologie du littoral. L'identification de ces mécanismes à une échelle de temps séculaire est essentielle pour évaluer les facteurs potentiels des changements côtiers
In coastal environment, interactions between morphodynamic, oceanographic and anthropic processes (acting over different timescales) control coastal systems evolution. This thesis is focused on long-term trends to determine the influence not only of human activities, but also the impact of climate change. Along the Northern coast of France, water level measurements were carried out since the early 19th century and tidal records were stored in the French Hydrographic Service (Shom) archives. At the same time that these measurements were conducted, hydrographic surveys were made for mapping the seabed of the coastal zone where tidal sand banks are common, forming linear shore-parallel or slightly oblique massive sand bodies. To determine long-term trends, digitization and analysis of these historical records were undertaken, enabling to reconstruct past sea-level changes and assess changes in sand bank morphology and position. Analysis of long tidal records suggests significant changes in tidal levels and a strong variability in the main tidal constituents. Moreover, analyses of bathymetry changes shows significant morphological variations across the shoreface since the 19th century, which are largely due to sand bank mobility. Numerical modelling of wave propagation and tidal circulation was performed using the TELEMAC suite of models to relate the observed changes in shoreface and nearshore morphology with possible variations in hydrodynamic processes. Under eroding conditions, an acceleration of tidal currents and an increase in wave height are obtained. Conversely, accumulation leads to an hydrodynamic regime weakening with a decrease in current velocity and to more wave energy dissipation in the nearshore. This study highlights the role of morphological feedbacks between nearshore morphology and coastal hydrodynamics. The identification of these feedbacks mechanisms at a secular time scale is important to assess potential drivers of coastal changes

Les courants marins sont aujourd’hui considérés comme une source d’énergie renouvelable prometteuse. De nombreux projets internationaux consistent à installer différents types de convertisseurs d’énergie des courants marins. La caractérisation des ressources marines est alors essentielle pour optimiser cette production d’énergie. En particulier, les zones à fort potentiel hydrolien sont sujettes à une turbulence multi-échelles, allant de petits tourbillons capables de solliciter les pales en fatigue aux gros tourbillons pouvant perturber la production de la turbine. Une meilleure connaissance de la génération de ces tourbillons et de leur propagation est essentielle. C’est l’objet du projet ANR/FEM THYMOTE (Turbulence, Hydrolienne, Modélisation, Observations et TEsts en bassin) avec comme site d’étude le Raz Blanchard : l’un des sites les plus prometteurs d’Europe. L’une des questions posées concerne la capacité des grandes structures morphologiques du fond marin à produire des tourbillons. La méthode utilisée est l’emploi d’un modèle régional 3D pour couvrir la zone occupée par ces reliefs.Les modèles régionaux tels que TELEMAC-3D utilisent une fermeture turbulente de type URANS (Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes), avec par exemple le modèle $k-\varepsilon$. Cette approche ne permet pas une description fine des instationnarités de la turbulence. Cependant, grâce à l’augmentation des performances de calcul, la méthode Large Eddy Simulation (LES) devient envisageable. Celle-ci s’appuie sur un filtrage de l’écoulement, et consiste à simuler uniquement les plus grandes échelles de turbulence. Les plus petites, elles, sont modélisées. Le code TELEMAC-3D a été modifié durant cette thèse de manière à introduire cette fermeture turbulente. Le code développé permet de simuler des écoulements à surface libre en tenant compte d'une large gamme d'échelles allant de la turbulence à la propagation de la marée. Le code TELEMAC-LES a été validé sur la base de résultats expérimentaux issus de la littérature. Il est ensuite utilisé pour étudier les écoulements turbulents dans le Raz Blanchard grâce à une stratégie par emboîtement. La méthode LES permet alors une description fine de la turbulence de ces milieux, conduisant à l’identification de structures tourbillonnaires énergétiques, et donc la définition des zones les plus appropriées pour l’installation d'hydroliennes
Nowadays tidal currents are considered a promising renewable energy source. Many worldwide projects involve the installation of different types of marine current energy converters. The characterisation of marine resources is therefore essential to increase efficiency of energy production. Areas with high hydroturbine potential are particularly subject to multi-scale turbulence, ranging from small vortices able to cause large fatigue loads, to large vortices capable of disrupting turbine production. A better knowledge of the generation of these eddies and their propagation is essential. This is the purpose of the ANR/FEM THYMOTE project (Turbulence, Hydrolienne, Modélisation, Observations et TEsts en bassin) studying one of the most promising sites in Europe: the Alderney Race. One of the questions raised concerns the ability of large morphological structures on the seabed to produce eddies. The adopted method uses a 3D regional model to cover the area occupied by these bedforms.Regional models such as TELEMAC-3D use a turbulent URANS (Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes) closure, with for example the $k-\varepsilon$. This approach does not allow a detailed description of the instability of turbulence. However, thanks to the increase in computing resources, the large scale method (LES) becomes feasible. This is based on flow filtering, and consists of simulating only the largest turbulence scales, whereas the smaller ones are modeled. The TELEMAC-3D code was modified during this thesis in order to introduce this turbulent closure. The code developed allows free surface flows to be simulated over a wide range of scales from turbulence to tidal propagation. The TELEMAC-LES code has been validated on the basis of experimental results from the literature. It is then used to study turbulent flows in the Alderney Race using a nesting strategy. The LES method allows a detailed description of the turbulence of these environments. It finally leads to the identification of energetic vortex structures, and thus the definition the most appropriate zones for the installation of tidal turbines

La raréfaction des ressources fossiles non renouvelables et le dérèglement climatique font de la question énergétique un enjeu d’envergure mondiale. L’exploitation de nouvelles sources d’énergie renouvelable devient alors un objectif de première importance. L’énergie produite à partir des courants marins suscite depuis quelques années un intérêt particulier. Le concept de turbine sous-marine, appelée hydrolienne, désigne le dispositif permettant de convertir l’énergie cinétique des courants marins en énergie électrique. Ce travail de recherche traite les problématiques que pose la conception des hydroliennes à axe horizontal. Il sera mis en évidence que le monde des hélices marines présente une piste intéressante pour l’étude du comportement hydrodynamique des hydroliennes. Certains concepteurs d’hydroliennes avancent que l’ajout d’un système de carénage est favorable pour améliorer le rendement hydrodynamique. L’étude du gain hydrodynamique à encombrement constant que pourrait procurer l’ajout d’un carénage a donc été choisie comme point de départ de ce travail de recherche. Pour répondre au besoin des industriels lié à une problématique de gain de masse, les matériaux composites présentent un atout considérable en raison de leurs excellents rapports «masse/résistance» et «masse/rigidité». Une réalisation d’un carénage en matériaux composites présentant le meilleur ratio «puissance/masse» a été obtenue. Un carénage d’hydrolienne est de par sa position particulièrement confronté à des chocs. Ceci peut s’avérer très délicat car la structure composite en question est soumise à des sollicitations sévères liées à l’environnement marin. L’impact sur un carénage d’hydrolienne a été traité en détail dans ce travail de recherche
Against the backdrop of the increasing scarcity of non-renewable fossil resources and climate change, the energy problem has become a worldwide issue. Hence, the exploitation of new renewable energy sources becomes a worldwide goal of primary importance. The concept of the underwater turbine, called tidal current turbine, designates the device which allows the conversion of the kinetic energy produced by marine currents in electric energy. This research study examines the problems related to the design of horizontal axis tidal current turbines. The present study shows that the world of marine propellers, sometimes entirely left out by the designers of tidal current turbines, presents an interesting avenue of research with regard to the hydrodynamic behaviour of tidal current turbines. Certain designers of tidal current turbines use a duct and hold that the addition of the duct contributes to the improvement of the hydrodynamic performance. Therefore, the study of the hydrodynamic benefits of ducted turbine using a constant overall cross-section than the bare turbine was the starting point of the present research work. In order to meet the needs of the manufacturers of tidal current turbines, which is generally linked to a problem of mass gain, composite materials present a considerable asset on account of their excellent «mass/resistance» and «mass/rigidity» relations. A structural design of ducted tidal current turbines using composite materials has therefore been examined. Hence, the design of a composite duct which yields the best «power/mass» ratio has been proposed. The duct of the tidal current turbine is especially confronted by the impacts due to its particular position. The impact damage aspect has also been examined in detail in the present research study

Ces travaux de thèse concernent la morpho-dynamique d'une plage de poche sableuse, située en environnement macrotidal. L'étude est menée sur la plage de Porsmilin, une plage de type intermédiaire avec une terrasse de basse mer. Cette étude s’appuie sur des observations in situ acquises lors de campagnes de mesures, organisées au cours de cette thèse. Le principal objectif est de caractériser le rôle de la pente, dans l'équilibre dynamique existant entre les processus hydrodynamiques et la morphologie de la plage. La dynamique des niveaux d’eau, de la propagation des ondes infragravitaires et de la turbulence sont examinés et mis en regard des variations morphologiques de la plage, en particulier de la pente locale de la plage. Les niveaux d’eau sont globalement sous-estimés par les formulations empiriques proposées dans la littérature. Des formules adaptées au site de Porsmilin sont présentées. L’impact de la brisure de pente observée le long du profil de plage sur la dynamique de la plage, est étudié. La variabilité de la position de la brisure de pente est impliquée dans les processus d’accommodation à court terme de la plage. Cela se traduit par un retrait vers le haut de plage de la brisure de pente, permettant une dissipation plus efficace de l’énergie incidente par la terrasse de basse mer. En revanche, ce retrait peut conduire, à une concentration d’énergie importante en haut de plage, lors de conditions particulièrement énergétiques, associées à un marnage important. La position de la brisure de pente pourrait être un bon indicateur de l'état de vulnérabilité de la plage face à des évènements énergétiques, ce qui constitue une information primordiale dans le contexte actuel d’érosion généralisée des littoraux sableux
This PhD work is focused on the morphodynamic of a pocket beach, located in a macrotidal environment. The beach type is intermediate, with a low tide terrace. The study is based on in situ observations, collected during field campaigns organized during the PhD. The objective is to characterize the beach slope impact on hydrodynamics processes and beach morphology. The water levels dynamic, infragravity waves propagation and turbulence generation in the swash zone, are examined and linked to the beach slope variability.The empirical formulations proposed in the literature show large under-estimations of water levels in the site. Empirical formulations adapted to the beach are proposed.The characteristic break slope presents along the cross-shore profile of low tide terrace beaches is studied. The variability of the break slope location is relevant to explain the short term accommodation of the beach. Under incident wave energy, the location of the beach slope moves shoreward, allowing higher wave dissipation by the low tide terrace. Nevertheless, the reflective part is reduced, which leads to a vulnerable state of the upper beach under strong forcing associated with high tide. The location of the beach slope is found to be a good indicator of the beach vulnerability under a given wave forcing. It provides valuable information in the globalized beach erosion context

Limiter le réchauffement climatique nécessite, entre autres adaptations, une réduction substantielle de l'utilisation des énergies fossiles et une électrification généralisée basée sur des systèmes de production faiblement émetteurs de gaz à effet de serre. Dans ce contexte, l'exploitation de l'énergie des courants de marée et autres énergies marines renouvelables gagne en intérêt. Ainsi, la dernière décennie a vu les premiers essais en mer de plusieurs concepts d'hydroliennes. Parmi eux, la première hydrolienne carénée à double axe vertical de 1 mégawatt, développée par HydroQuest, a été testée au large de l'île de Bréhat, en Bretagne, de 2019 à 2021. Dans la perspective des prochaines générations de turbines, l'entreprise souhaite améliorer ses outils de conception expérimentaux et numériques afin de gagner en confiance dans sa capacité à prédire les performances et les chargements mécaniques à l'échelle réelle à partir des expériences à échelle réduite. Cela ne peut se faire qu'en comparant les résultats obtenus en mer à ceux obtenus en laboratoire afin d'évaluer les potentiels effets d'échelle. Par conséquent, nous commençons ce mémoire par l'analyse des mesures en mer pour caractériser le comportement du prototype in-situ. Ensuite, nous étudions la réponse d'une maquette à l'échelle 1/20 de ce prototype à partir d'essais réalisés dans le bassin à houle et courant de l'Ifremer à Boulogne-sur-mer. Nous considérons de nombreuses conditions d'écoulement, allant de conditions idéales vers des conditions plus complexes et réalistes. Au-delà de la comparaison des résultats entre échelle réduite et échelle réelle, les analyses présentées dans cette thèse visent également à mieux comprendre l'influence de chacune des caractéristiques de l'écoulement des courants de marée sur le comportement de l'hydrolienne carénée. À partir de mesures de puissance, d'efforts et de sillage, nous étudions les effets du cisaillement de l'écoulement incident, de sa direction relative, de la turbulence générée par des obstacles bathymétriques et des vagues en surface sur la réponse de la maquette. Les résultats montrent que la génération de puissance est, en moyenne, insensible aux conditions d'écoulement incidentes alors que les fluctuations de puissance et d'efforts peuvent être fortement affectées. Enfin, nous discutons des effets d'échelle, notamment de l'influence du nombre de Reynolds, en comparant les résultats en bassin d'essais à ceux obtenus sur le prototype en mer. Les résultats permettent d'affiner la correction qu'il convient d'appliquer aux mesures à échelle réduite pour prédire la génération de puissance à échelle réelle. Bien que les efforts et le sillage semblent moins affectés par les effets visqueux, une comparaison détaillée avec les résultats à échelle réelle nécessiterait des améliorations sur les mesures en mer afin de mieux quantifier les potentiels effets d'échelle. Ces améliorations pourront être mises en œuvre dans les années à venir avec le lancement de la prochaine génération d'hydroliennes à double axe vertical
Limiting human-caused global warming requires, among other adaptations, a substantial reduction of fossil fuel use and a widespread electrification based on low greenhouse gas emission production systems. In this context, harnessing the tidal current energy and other marine renewable energy sources has gained interest for the last decade, which lead to the first offshore tests for several tidal energy converter concepts. Among them, the first 1 megawatt ducted twin vertical axis tidal turbine prototype, developed by HydroQuest, was tested off the northern coast of Brittany, France, from 2019 to 2021. In the prospect of the next turbine generations, the company wants to improve its experimental and numerical design tools to gain confidence in its capacity to predict the full-scale performance and loads from the experiments at reduced-scale. That can only be done by comparing the results obtained at sea to those obtained in the laboratories to assess the potential scale effects. Therefore, we first analyse the measurements at sea to characterise the behaviour of the prototype. Then, we study the response of a 1/20 scale model of that prototype tested in the Ifremer wave and current flume tank in Boulogne-sur-mer, France. We consider many flow conditions, increasing the complexity from idealised towards more realistic conditions. Beyond the comparison between reduced- and full-scale results, the analyses presented in that thesis also aim at better understanding the influence of each of the tidal current flow characteristics on the ducted turbine. In more details, from power performance, loads and wake measurements, we study the effects of the incident flow shear, of the relative flow direction, of the turbulence generated by bathymetry obstacles and of surface waves on the model response. The results show that the average power performance is rather insensitive to the incident flow conditions whereas the power and load fluctuations can be strongly affected. Finally, we discuss the scale effects on the results by comparing the power performance, the loads and the wake results in the tank with those obtained on the prototype at sea. The results allow to refine the evaluation of the correction needed at reduced-scale to predict the power performance at full-scale, mainly due to Reynolds number difference. Even if the loads and the wake results seem less affected by the viscous effects, a detailed comparison with the full-scale results would require improvements on the measurements at sea to better quantify the potential scale effects. Those improvements may be implemented in the coming years with the launch of the next generation of twin vertical axis tidal turbines

Les énergies marines renouvelables (EMR) apparaissent aujourd’hui comme une formidable opportunité et un véritable choix écologique et industriel pour répondre à la demande croissante de l’énergie et pour lutter contre le réchauffement climatique. Au cours de cette thèse, on se propose d’étudier l’un de ces types qui s’appelle l’énergie hydrolienne qui présente un immense potentiel dans le bouquet énergétique mondial. une nouvelle forme de pale d’une hydrolienne à axe horizontale a été développé par l’optimisation d’un hydrofoil existant en utilisant la méthode BEM (Blade Element Momentum) afin d’améliorer ses performances hydrodynamiques. La deuxième partie a été consacrée à étudier les performances mécaniques des matériaux composites comme composants structurels des pales d’hydrolienne et de la tuyère. Ces structures sont sujettes à de nombreux types de chargements, tels que les impacts de corps externes, la fatigue due à la variation des courants, mais également à diverses agressions liées à l’environnement marin telles que la variation de la température et l’humidité qui peuvent induire du vieillissement et de la corrosion. Une compréhension approfondie du comportement à long terme de ces parties mobiles est donc essentielle afin de doter les bureaux d’études, confrontés au dimensionnement des structures d’énergies marines, d’outils leur permettant de faire le choix des matériaux (couplefibre/matrice), architectures fibreuses (nappe, tissus), séquence d’empilement des stratifiées minimisant la sensibilité aux chargements appliqués des structures travaillantes. L’objectif final de cette thèse est le développement d’outils et de méthodologies tant numériques qu’expérimentales capables de simuler l’impact du courant et du comportement de ces systèmes de façon couplée ce qui constitue un enjeu majeur de dimensionnement. En effet le but est d’identifier les voies d’optimisation qui permettront d’aller sur la phase commerciale avec un gain de LCOE (Levelized Cost of Energy) substantiel
Recently, Renewable Marine Energies (RME) has emerged as a tremendous opportunity for a real ecological and industrial choice to meet the growing demands for energy and also to fight global warming. The study conducted in this thesis is with in this framework of research and is focused on the investigation of one of the most promising categories of RMEs which is tidal current turbine. A new hydrofoil for the turbine was designed using BEM (Blade Element Momentum) methods and CFD (Computational Fluid Dynamics) calculations with improved hydrodynamic efficiency. Furthermore, a series of numerical studies were conducted to investigate and examine the damage behavior of composite materials under critical loadings by developing DLOAD and VUMAT routines. This numerical study assisted in understanding the problems of structural lightening, resistance to fatigue and impact loading, and other degradation phenomena of themechanical properties of a composite turbine in severe marine environments and solving the needs of the manufactures. Moreover, study about the dynamic behavior of a composite/composite bonded assembly was also conducted because joint assembly plays a vital role in reducing the mass of the structure which is of extreme relevance in the field of marine and offshore structures. Another important obstacle regarding the application of composite and bonded structures in marine was the control of hygro-mechanical coupling. Therefore in this context, additional campaign of tests was carried out on bonded composite specimens by studying the hygrothermal effect on their dynamic behavior at different deformation rates using Hopkinson bar method. This hybrid study of hygro-thermal effect of the dynamic properties of the bonded composites will aid in optimization of the structures and to move into the commercial phase with a substantial gain in LCOE (Levelized Cost of Energy) in future

Dans un contexte mondial où l’accès à l’énergie est un problème de premier plan, l’exploitation des courants de marée avec des hydroliennes revête un intérêt certain. Les écoulements dans les zones à fort potentiel énergétique propices à l’installation d’hydroliennes sont souvent fortement turbulents. Or la turbulence ambiante impacte fortement l’hydrodynamique avoisinante et le fonctionnement de la turbine. Une prédiction fine de la turbulence et du sillage est fondamentale pour l'optimisation d'une ferme d'hydroliennes. Un modèle de simulation de l'écoulement autour de la turbine doit donc être précis et tenir compte de la turbulence ambiante. Un outil basé sur la méthode de Boltzmann sur réseau (LBM) est utilisé à ces fins, en association avec une approche de simulation des grandes échelles (LES). La LBM est une méthode instationnaire de modélisation d’écoulement fluide. Une méthode de génération de turbulence synthétique est implémentée afin de prendre en compte la turbulence ambiante des sites hydroliens. Les géométries complexes, potentiellement en mouvement, sont modélisées avec la méthode des frontières immergées (IBM). La mise en place d’un modèle de paroi est réalisée afin de réduire le cout en calcul du modèle. Ces outils sont ensuite utilisés pour modéliser en LBM-LES une hydrolienne dans un environnement turbulent. Les calculs, réalisés à deux taux de turbulence différents, sont comparés avec des résultats expérimentaux et des résultats NS-LES. Les modélisations LBM-LES sont ensuite utilisées pour analyser le sillage de l'hydrolienne. Il est notamment observé qu'un faible taux de turbulence impacte de manière significative la propagation des tourbillons de bout de pale
In a global context where access to energy is a major problem, the exploitation of tidal currents with tidal turbines is of particular interest. Flows in areas with high energy potential suitable for the installation of tidal turbines are often highly turbulent. However, the ambient turbulence has a strong impact on the surrounding hydrodynamics and the turbine operation. A precise prediction of turbulence and wake is fundamental to the optimization of a tidal farm. A numerical model of the flow around the turbine must therefore be accurate and take into account the ambient turbulence. A tool based on the Lattice Boltzmann Method (LBM) is used for this purpose, in combination with a Large Eddy Simulation (LES) approach. The LBM is an unsteady method for modelling fluid flows. A synthetic turbulence method is implemented to take into account the ambient turbulence of tidal sites. Complex geometries, potentially in motion, are modelled using the Immersed Boundary Method (IBM). The implementation of a wall model is carried out in order to reduce the cost of the simulations. These tools are then used to model a turbine in a turbulent environment. The calculations, performed at two different turbulence rates, are compared with experimental and NS-LES results. The LBM-LES models are then used to analyze the wake of the turbine. In particular, it is observed that a low turbulence rate has a significant impact on the propagation of tip-vortices

La thèse a pour objectif l'étude des plages sableuses enclavées, i.e. contraintes aux extrémités par des caps rocheux, soumises aux vagues et à un cycle de marée morte-eau vive-eau. Une double approche complémentaire liant études numériques et observations et mesures in situ sur un site-atelier a été retenue. Deux modèles déterministes basés sur les différents processus physiques (hydrodynamiques, hydro-sédimentaires et morphodynamiques) en jeu dans la zone littorale et moyennés sur la verticale (2DH) on été sélectionnés. Le code XBeach (Roelvink et al., 2009) utilise un maillage aux différences finies et intègre certaines spécificités tels qu'un modèle de propagation d'un rouleau d'écume ("roller"), un modèle de génération d'ondes longues et un modèle de développement d'un contre-courant de retour "undertow". Le code TELEMAC (Hervouet, 2007) utilise un maillage aux éléments finis. Pour le site-atelier, les plages enclavées adjacentes de La Palue et de Lostmarc'h en Presqu'île de Crozon (Finistère) ont été choisies pour leur bathymétrie complexe (présence de chenaux de baïne et d'un saillant) et leur géométrie complexe (caps rocheux de longueurs diverses, îlot). Une année d'observations et de mesures in situ (levés topographiques, pose de courantomètres ADV) a été entreprise entre le mois de septembre 2014 et le mois de septembre 2015, par diverses conditions météorologiques.Dans un premier temps, la dynamique globale des plages enclavées, représentées schématiquement par une échancrure rectangulaire, a été appréhendée. En particulier, la genèse d'une barre de déferlement en zone subtidale sous l'influence des dimensions de l'échancrure rocheuse, d'un cycle de marée morte-eau vive-eau et de houles énergétiques a été illustrée à travers plusieurs séries de simulations numériques à l'aide du code XBeach.Dans un deuxième temps, la modélisation hydrodynamique des courants sur les plages de La Palue et de Lostmarc'h a été effectuée, avec l'objectif d'étudier l'influence des caractéristiques des houles (hauteur, période et direction) et de celles de l'échancrure rocheuse (longueur des caps, espacement des caps, inclinaison des pointes) sur la prédiction des courants. Une ouverture sur la modélisation aux éléments finis (TELEMAC) en comparaison à celle aux différences finies (XBeach) a été présentée. Le code XBeach a été validé sur le plan hydrodynamique grâce aux mesures in situ d'une campagne de terrain réalisée en janvier 2015. Une étude numérique hydro-sédimentaire sur une lunaison complète (du 01 septembre 2015 au 29 septembre 2015) a alors été entreprise à l'aide du code XBeach, afin d'étudier l'intensité et la direction des flux sédimentaires instantanés et résiduels au gré des différents climats de houle et de marée, et selon les différents secteurs typologiques des plages de La Palue et de Lotsmarc'h. Cela a permis de mettre en évidence les particularités de la dynamique des plages enclavées par rapport aux plages ouvertes "quasi-infinies", tels que le phénomène de "contournement de cap", mais aussi les similitudes. Les résultats du code XBeach, pour différentes configurations du modèle, ont par ailleurs été comparés aux levés topographiques réalisés au cours du mois de septembre 2015.Dans un troisième temps, après une analyse statistique approfondie des climats de houle au large des plages de La Palue et de Lostmarc'h sur une période de 7 ans, l'impact morphodynamique de tempêtes extrêmes (houles décennale et cinquentennale) conjugué à celui de la hausse du niveau marin induit par le changement climatique, a été estimé sous la forme d'une étude numérique à l'aide du code XBeach sur un profil transversal au sud de la plage de La Palue
In this thesis, waves and neap-spring tide action on sandy embayed beaches constrained by rocky headlands is studied. A complementary approach combining numerical modeling and in situ measurements is used. Two deterministic model based on major physical processes (hydrodynamics, hydro-sedimentary and morphodynamics) present in the coastal zone and averaged over the water height (2DH) have been selected. XBeach (Roelvink et al., 2009) employs a finite difference scheme and incorporates some specific processes such as a roller, wave groups and the associated bound long wave and a undertow. TELEMAC (Hervouet, 2007) is a finite element scheme. Nearby sandy embayed beaches of La Palue and Lostmarc'h (Crozon Peninsula, Finistère) have been chosen for their complex bathymetry (rip channels, tombolo) and geometry (headlands, small island). One year of in situ measurements (topographical surveys, ADV velocimeters) between septembre 2014 and september 2015 has been undertaken, with different waves and tide climates.Firstly, the overall dynamics of embayed beaches built schematically in the form of a rectangular indentation has been caught. Especially, subtidal sandbar formation under the influence of waves, neap-spring tide and rocky headlands has been studied through several sets of numerical simulations.Secondly, hydrodynamic modelling on the embayed beaches of La Palue and Lostmarc'h has been made with the aim of study influence of waves characteristics (height, period and direction) and indentation's ones (headlands length, spacing between headlands, headlands inclination) on the prediction of currents. A simulation using finite element scheme (TELEMAC) has been achieved and compared to those using finite difference scheme (XBeach). XBeach currents predictions at two locations on the beaches of La Palue and Lostmarc'h over the period from the 21st January 2015 to the 23rd January 2015 have been compared to in situ measurements to validate the model. Whereupon, a numerical hydro-sedimentary simulation (using XBeach) over a full lunation from the 1st September 2015 to the 29th September 2015 has been undertaken on these two beaches, with the aim of study the intensity and direction of sediment flux (instantaneous and residual) for various waves and tide climates and for different morphological areas. This work has helped to highlight the dynamics features of embayed beaches compared to open beaches ones, such as headland sand bypassing, but also similarities. Moreover, XBeach morphodynamics predictions have been compared to in situ measurements for different model setup.Thirdly, after an in-depth statistical analysis of wave climates over a 7 year period offshore of La Palue and Lostmarc'h beaches, the morphodynamic impact of extreme storm waves (ten-yearly and fifty-yearly) combined to a sea level rise induced by climatic change on a cross-shore bottom profile south of La Palue has been estimated through a numerical study (using XBeach)

L'objectif de cette these est d'ameliorer notre connaissance des marees dans l'ocean atlantique. Ce travail a ete mene en particulier dans le cadre de la mission satellitale topex/poseidon, l'exploitation des donnees altimetriques necessitant des corrections tres precises de marees. Cette etude repose sur l'utilisation d'un modele hydrodynamique original, formule par le provost en 74. Ce modele est base sur les equations des ondes longues integrees sur la verticale et quasi lineaire. Une methode spectrale permet la decomposition en temps des equations et conduit a resoudre un probleme specifique pour chaque onde du spectre, avec pour inconnue la denivellation de la surface libre. Nous avons applique ce modele sur les deux bassins nord et sud de l'ocean atlantique, a partir de maillages elements finis de tres haute resolution spatiale adaptes a la topographie. Nous avons obtenu des solutions en amplitude et en phase pour les ondes m2, k1 et n2. Ces resultats ont ete valides par une comparaison aux donnees in situ disponibles. Les rms calcules sur l'ensemble des observations pelagiques et de plateaux sont, sur le bassin nord, inferieures a 3 cm. Par contre, sur le bassin sud, la precision est moindre: elle est comprise entre 1 et 7 cm. L'interpretation que nous avons proposee de cette difference entre les precisions des resultats dans les oceans atlantique nord et sud est d'une part l'abondance des donnees d'observations disponibles et utilisees pour l'optimisation des solutions dans l'atlantique nord et par contre notre ignorance de la topographie de la mer de weddell dont nous avons discute l'importance. Une premiere quantification des termes entrant dans le calcul des bilans d'energie a ete realisee a partir de nos solutions

Le développement des énergies renouvelables passe par l’exploitation de nouvelles sources d’énergie. La filière hydrolienne, dédiée à la récupération de l’énergie des courants de marée, est proche de l’industrialisation. Cependant, les conditions hydrodynamiques turbulentes des sites hydroliens sont encore mal connues. Cette thèse propose d’examiner à l’échelle locale l’effet des rugosités du fond marin sur la génération de tourbillons hautement énergétiques par la simulation numérique en mécanique des fluides de type méthode de Boltzmann sur réseau. Cette méthode est particulièrement adaptée à la simulation d’écoulements instationnaires sur un domaine de simulation complexe. Dans un premier temps, les phénomènes physiques de détachements tourbillonnaires sur des macro-rugosités canoniques sont décrits. L’appariement de structures tourbillonnaires est mis en évidence dans le processus de formation de tourbillons hautement énergétiques. Dans un deuxième temps, la simulation permet d’observer de tels phénomènes dans le cas d’écoulements environnementaux intégrant une bathymétrie réelle. Ces simulations, validées par rapport à des mesures in situ, mènent à une meilleure compréhension des effets du fond marin sur la turbulence en milieu hydrolien. En particulier, l’importance des failles géologiques dans la génération de turbulence dans la zone d’étude est mise en évidence
Renewable energy development calls for exploitation of new energy resources. Tidal stream power harvesting is now close to the industrialisation step. Still, turbulent hydrodynamic conditions at tidal sites are not well understood. This thesis aims to investigate the local scale effect of sea bottom roughnesses on energetic vortex generation with computational fluid simulations using the lattice Boltzmann method. This method is highly indicated for unsteady flow simulations of complex domains. First, the physical phenomena involved in vortex emission around canonical macroroughnesses are described. Vortex merging is identified in the generation process of energetic vortices. Then, such physical events are reproduced in the case of environmental flow simulations using a real seabed morphology. These simulations are validated on in situ measured data, and lead to a better understanding of the sea bottom effect on tidal stream site turbulence. They demonstrate the role of geological faults on the local turbulence

La rectification d'un ecoulement de fluide homogene force alternativement sur un fond plat horizontal et le long d'une paroi verticale en milieu tournant est etudie experimentalement. On montre comment les echanges de quantites de mouvement entre la couche d'ekman et la couche limite contre la paroi provoquent une interaction non lineaire forte entre les composantes horizontales du courant, qui engendre un courant residuel significatif le long de la paroi. Ce courant laisse la paroi verticale sur sa droite dans le cas d'une rotation correspondant a l'hemisphere nord. Les caracteristiques de ce courant residuel, ou rectifie, sont determinees a l'aide de techniques de visualisation et de mesure velocimetrique. L'evolution parametrique du phenomene est confrontee avec une modelisation theorique de l'ecoulement et avec des simulations numeriques. L'existence d'un courant residuel cotier le long des cotes francaises de la manche orientale rend pertinente l'application de notre etude aux courants de maree de cette region. On etudie ensuite la transition vers la turbulence de la couche d'ekman presente sous l'ecoulement alternatif force. Des reseaux d'ondes d'instabilite peuvent apparaitre, puis interagir si le nombre de reynolds est grand, ou encore se detruire au moment de la renverse du courant. Ces explosions engendrent un melange vertical important. Des mesures de fluctuations des vitesses, realisees au film chaud, confirment les observations. On peut encore envisager d'appliquer ces resultats a la turbulence de fond des courants de maree dans la manche

Les processus caractérisant la turbulence en Méditerranée Occidentale ont été identifiés et quantifiés à partir de données de microstructure. L'accent a été mis sur le Canal de Sicile, un hot-spot pour le mélange turbulent et une région clé pour les transformations de masses d'eaux. Il module le transport de chaleur et de sel entre les deux bassins, occidental et oriental, et on y retrouve une large gamme de régimes dynamiques. La turbulence y est produite par le fort cisaillement associé à l'écoulement des eaux Levantines intermédiaires (LIW) fortement contraint par la bathymétrie et par le déferlement des ondes internes de marée. Un fort contraste entre les deux passages profonds dans le canal a ainsi été observé. La variabilité de l'efficacité du mélange a été caractérisée en fonction des régimes dynamiques rencontrés et une paramétrisation fine échelle de la dissipation d'énergie cinétique turbulente a été validée pour des régimes d'intensité turbulente faible à modérée. Les flux diffusifs turbulents verticaux calculés à partir de mesures in-situ ont permis d'estimer les changements des propriétés des masses d'eaux dans le canal. L'analyse a ensuite été étendue à tous les profils récoltés dans le bassin occidental où le rôle relatif de la double diffusion et de la turbulence mécanique sur les flux de chaleur, salinité, flottabilité et l'érosion de la LIW, a été discuté
The processes characterising turbulence in the Western Mediterranean Sea were identified and quantified using microstructure measurements. The focus was on the Sicily Channel, a hotspot for turbulent mixing and a key region for water mass transformations. It modulates the heat and salt transport from the Eastern to the Western Mediterranean Basins and exhibits a large range of dynamical regimes. Turbulence is driven by the strong shear associated to the flow of Levantine Intermediate Waters (LIW) which is constricted by the bathymetry, and by internal wave breaking of tidal origin. A strong contrast was observed between the two deep passages in the channel. The mixing efficiency variability was investigated in the context of mechanically driven turbulence over a wide spectrum of turbulence intensities. A finescale parameterisation for the turbulent kinetic energy dissipation rate was validated for weak to moderate turbulence intensity. The vertical turbulent diffusive fluxes computed from the measurements allowed an assessment of the water mass property changes incurred in the channel. The analysis was extended to all the stations sampled in the Western Mediterranean, where the relative impact of double diffusion and mechanical turbulence on heat, salt and buoyancy fluxes, as well as on the LIW, was investigated

Présents sur toutes les façades maritimes et fluviales du monde, les ports sont aujourd’hui des interfaces majeures du développement des territoires. L’envasement naturel de ces zones calmes peut obstruer les voies navigables et empêcher ces infrastructures de jouer leur fonction primaire d’abri pour les bateaux. Cela implique souvent la mise en œuvre de travaux de dragages onéreux et chronophages, afin de retrouver des profondeurs compatibles avec la navigation. Le port des Minimes (La Rochelle, France), qui est un des plus gros ports de plaisance de la façade Atlantique, n’est pas épargné par ce phénomène et requiert des activités de dragage huit mois par an. Face à cette problématique, le port de plaisance et La Rochelle Université ont eu la volonté de mieux comprendre la dynamique du milieu et les processus menant à l’accumulation de sédiments sur le site des Minimes. En combinant une approche instrumentale in situ à une modélisation numérique opérationnelle, l’objectif de ce travail de thèse a donc consisté à caractériser la dynamique hydro-sédimentaire de cet espace littoral anthropisé. Une quantification de l’impact des structures flottantes (bateaux, pontons) sur l’hydrodynamique portuaire, a tout d’abord été menée. Le second champ d’étude a visé à décrire la circulation des masses d’eaux et leur renouvellement sous l’action du vent et de la marée. Les observations récoltées ont permis d’étudier la dynamique sédimentaire spatiale et temporelle, en lien avec l’action du vent, de la marée et des vagues. Plusieurs scénarios de lutte contre l’envasement ont été mis en place et analysés dans le but de fournir des éléments de réponse et pistes de recherche sur la gestion de l’envasement et du dragage associé
Ports are presents on all maritime and river fronts of the world, and represent major interfaces in the development of territories. The natural siltation of these calm areas can obstruct waterways and prevent these infrastructures from fulfilling their primary function as a shelter for boats. This often involves the implementation of expensive and time-consuming dredging operations to restore depths compatible with navigation. Les Minimes marina (La Rochelle, France), which is one of the largest marinas on the Atlantic coast, is not spared by this phenomenon and requires dredging activities for a large part of the year. In response to this problem, the marina and La Rochelle University, has wanted to understand better the natural environment and the processes leading to the accumulation of sediments in the marina. By combining an instrumental in situ approach with operational numerical modelling, the objective of this thesis was, therefore, to characterise the hydro-sedimentary dynamics of the area. Quantification of the impact of floating structures (boats, pontoons) on marina hydrodynamics was firstly carried out. The second field of study aimed to study the circulation of water masses and their renewal about the effect of wind and tide. The observations collected made it possible to study spatial and temporal sediment dynamics, under the action of wind, tide and waves. Thus, numerous siltation control measures have been implemented and analysed to provide solutions and research perspectives in view with siltation and dredging management