DUNAMICS

Ce projet a reçu un financement du programme de recherche et d'innovation Horizon 2020 de l'Union européenne dans le cadre de la convention de subvention Marie Skłodowska-Curie n° 101021848

Les enjeux de Dunamics en vidéo

Un résumé de DUNAMICS en un graphique

Présentation du projet

Les dunes et les rides sont des formes de relief fascinantes qui ont attiré l'attention de la communauté scientifique depuis les travaux fondateurs de Bagnold (1941) sur les dunes éoliennes dans le Sahara. Des découvertes récentes des agences spatiales ont révélé la présence de formes de relief similaires dans d'autres environnements planétaires aussi divers que Mars, Vénus, Titan, Pluton ou la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko, où les dunes sont sculptées par les vents thermiques solaires. Les dunes sont omniprésentes dans les environnements subaquatiques terrestres et partagent le même mécanisme universel de génération que leurs homologues extraterrestres et éoliennes. Les dunes de sable posent un risque significatif pour les activités offshore dans les zones côtières, en particulier avec le développement croissant de l'énergie marine renouvelable, et pour la navigation le long des routes maritimes les plus fréquentées comme par exemple en mer du Nord, dans la Manche franco-anglaise ou l'estuaire de l'Elbe. La présence de dunes de sable entraîne une augmentation significative de la résistance à l'écoulement, qui doit être soigneusement décrite pour prédire les vitesses d'écoulement et les niveaux d'eau dans les modèles de prévision. Comprendre l'évolution des dunes est donc un enjeu important pour prédire avec précision la circulation de l'écoulement, les flux de sédiments et les variations bathymétriques dans les environnements subaquatiques sableux. Bien que les dunes de sable représentent un grand intérêt scientifique et opérationnel, leur évolution est encore mal comprise en raison de leur comportement complexe. Au cours de mes années d'expérience en tant qu'ingénieur de recherche en génie côtier, j'ai pu constater le besoin d'une meilleure compréhension de la dynamique des dunes de sable, qui est un facteur important pour soutenir la transition verte européenne en environnement marin.

Les questions qui restent à aborder sont les suivantes : 1) quels mécanismes physiques conduisent à l'équilibre des dunes sous différents types de conditions hydrodynamiques ? 2) Quelles sont les dimensions des dunes à l'équilibre et les paramètres de contrôle ? 3) Pouvons-nous développer un cadre de modèle numérique pour prévoir l'évolution in situ des dunes ?

Suite à mon expérience de recherche en morphodynamique des dunes, et aux hypothèses que j'ai formulées dans le cadre de mon doctorat, mon ambition pendant le projet Marie Curie est de suivre une méthodologie ambitieuse pour résoudre des problèmes fondamentaux liés à notre compréhension des dunes sous-marines et améliorer leur prédictibilité. Par conséquent, je propose d'utiliser une combinaison de techniques de mesure innovantes en canal, d'approches de modélisation numérique avancées et l'analyse de jeux de données à haute résolution obtenus par échosondeur multibeam in situ. En plus de ses contributions scientifiques novatrices, DUNAMICS renforcera encore mon expérience en modélisation numérique, en géologie marine et en travail en laboratoire.

References 

1 Jia, P., Andreotti, B. and P. Claudin, Proceedings of the National Academy of Sciences, 114 (10), 2509-2514 (2017).

2 Barrie, J. V., and K. W. Conway, Continental Shelf Research, 83, 45-52, (2014).

3 Vantorre, M., E. Lataire, M. Candries, J. van Doorn, and D. van Heel, Fourth International Conference on Marine and River Dune Dynamics, 301-308, (2013).

4 Deigaard,R., and J. Fredsøe, Proceedings of the 20th Coastal Engineering Conference, 1047-1061, (1987).

5 Perillo, M. M., Best, J. L., et. al., Sedimentology, 61, 2063-2085, (2014).

6 Kennedy, J. F., Journal of Fluid Mechanics, 16, 521-544, (1963). Engelund, F., Journal of Fluid Mechanics, 42(2), 225-244, (1970).

Principaux résultats obtenus en lien avec les axes de travail définis dans le cadre de DUNAMICS

Investigation de la saturation des dunes sous-aquatiques à amplitude finie par modélisation numérique

Les observations du développement des formes de lit montrent qu'un lit initialement plat évolue à travers différentes phases : une phase de formation de forme de lit naissante, une phase de croissance et une phase de stabilisation conduisant à un champ de dunes entièrement développé. Pour un transport non suspendu dans la limite d'une grande épaisseur de flux, Duran et al. (2019) ont montré que le Reynolds particulaire, Re* encode la rugosité hydrodynamique et contrôle l'apparition d'une anomalie hydrodynamique conduisant à la saturation des rides. La saturation des dunes dans un écoulement de profondeur finie, d'autre part, reste un problème ouvert. Les mécanismes physiques induits par la présence de la surface libre et le transport de sédiments en suspension semblent être liés à la saturation des dunes (Charru, 2013 ; Naqshband et al., 2014b). Dans le présent travail, nous utilisons un modèle RANS 2D (Doré et al., 2016) pour simuler les profils de dunes à différentes étapes de leur évolution, calculer la valeur de l'écart de phase du maximum de la contrainte de cisaillement au lit, δ_(φ,tb), et les flux de sédiments, δ_(φ,qb) (charriage), δ_(φ,qs) (suspension) et δ_(φ,qt) (total). Les résultats concordent avec les données expérimentales et une étude de modélisation numérique précédente. Une étude paramétrique sur les principaux paramètres adimensionnels contrôlant le système fournit une meilleure compréhension du processus de saturation en écoulement de profondeur finie.

Utilisation de la programmation génétique pour dériver des équations de prédiction de la géométrie des dunes subaquatiques à l'équilibre

Expérimentations en laboratoire : méthode PIV avec acquisition images haute fréquence, haute résolution 

La configuration expérimentale est conçue pour permettre des mesures de concentrations de sédiments et de vitesses dans les flux de bord sans perturber l'écoulement et le lit de sédiments. Les expérimentations seront réalisées dans les installations du laboratoire dans le grand canal ouvert à parois en verre de 43 m de long appelé '1500 flume', ainsi que dans le '440 flume', un canal de 11,9 m utilisé actuellement pour l'analyse du suivi des particules de sable. Un sable de diamètre median de 0,85 mm est utilisé (en réalité 0,73 mm, voir ci-dessous). Les profils des vitesses moyennes d'écoulement en direction du courant et des contraintes de cisaillement turbulentes de Reynolds seront mesurés avec des vélocimètres Doppler acoustiques Nortek Vectrino (ADV). Un système de Vélocimétrie par Image de Particules (PIV) est installé pour mesurer le mouvement des particules de sable. La détection des particules en mouvement est obtenue grâce à une analyse de corrélation croisée entre différents groupes de particules dans deux images PIV successives (Image de différence) réalisée avec PIVlab, un outil MATLAB open-source adapté pour nos besoins. Les vitesses moyennes des particules à différentes sections de la pente de la dune sont obtenues, à partir desquelles la localisation du flux maximum sur le sommet de la dune est déduit. Les études sur le mouvement des particules sont entièrement automatisées pour les conditions de lit mobile et de déplacement contigu des particules de sable.