Journées Scientifiques et Techniques du CETMEF 8-10 décembre 2008

1. Quelques aspects des interactions vagues-courant, avec application à l’agitation portuaire.Etude expérimentale en bassin Laboratoired’HydrauliqueSaint-Venant(Université Paris Est,Laboratoire communEDF R&D / CETMEF /Ecole des Ponts) Journées Scientifiques et Techniques du CETMEF 8-10 décembre 2008 Marilyne LUCK Ingénieur-chercheur (EDF R&D LNHE) marilyne.luck@edf.fr Michel BENOIT Chercheur-senior (EDF R&D LNHE) michel.benoit@edf.fr Jean-Michel MENON Agent technique (EDF R&D LNHE) jean-michel.menon@edf.fr CETMEF Laboratoire d’Hydraulique Saint-Venant(Université Paris Est, Labo. commun EDF R&D / CETMEF / Ecole des Ponts ParisTech) 6 quai Watier, BP 49, 78401 Chatou Cedex JST CETMEF 2008 – Interactions vagues-courant en agitation portuaire

2. Plan de la présentation • Brève revue des différents processus d’interaction entre les vagues et la courantologie moyenne (marée, circulation générale, etc.) • Présentation de l’étude expérimentale en bassin pour étudier l’effet des courants sur l’agitation portuaire : • installation d’essai, • configuration de port schématique, • conditions hydrodynamiques, • métrologie expérimentale. • Résultas d’essais et analyse de différents effets : • Série 1 : effet du sens du courant et de son intensité, • Série 2 : effet de la direction d’incidence des vagues, • Série 3 : effet de la période et de la hauteur des vagues incidentes, • Série 4 : effet de la profondeur d’eau. • Résumé et perspectives (modélisation numérique dans les codes d’agitation portuaire tels que ARTEMIS et REFONDE) JST CETMEF 2008 – Interactions vagues-courant en agitation portuaire

3. Principaux effets d’un courant sur les vagues • Modif. de la longueur d’onde et de la célérité des vagues (effet Doppler) : • avec • wpulsation absolue (/ repère fixe) s pulsation relative (/ repère mobile à vitesse U) Réfraction (changement de direction de propagation des vagues) Effet de type « levée » (shoaling) sur la hauteur des vagues • Hauteur de vague diminuée par un courant de même sens. • Hauteur de vague augmentée par un courant de sens opposé aux vagues. Peut conduire au blocage des vagues (« wave blocking ») pour les forts courants adverses (déferlement). • Modification du frottement sur le fond (pour les vagues) • Contrainte totale de frottement au fond, due à la superposition des vagues et du courant (cf. modèles de Grant et Madsen, 1979 ; Christoffersen & Jonsson, 1985 entres autres). Transferts d’énergie fréquentiels dus au caractère instationnaire du courant (pris en compte dans les modèles spectraux d’états de mer tels que WaveWatch-III ou TOMAWAC) JST CETMEF 2008 – Interactions vagues-courant en agitation portuaire

4. Effets des vagues sur la courantologie moyenne • Transfert de quantité de mouvement des vagues vers le champ moyen : • Zones de variations rapides des caractéristiques du champs de vagues (diffraction derrière des ouvrages, zone de déferlement,…) • Courants littoraux (dits de déferlement) • Courant de retour dans le profil (« undertow ») • Variations du niveau moyen de mer (set down / set-up). Modification de la contrainte de surface de la mer : • La rugosité de la surface de la mer est augmentée par la présence de vagues => en présence de vent, la contrainte de surface est augmentée, et l’action du vent sur la masse d’eau sera plus importante (surcotes/décotes météorologiques). • Modification du frottement sur le fond (pour le courant) : • Contrainte totale de frottement au fond, due à la superposition des vagues et du courant (cf. modèles de Grant et Madsen, 1979 ; Christoffersen & Jonsson, 1985 entres autres). JST CETMEF 2008 – Interactions vagues-courant en agitation portuaire

5. Objectifs et finalités de l’étude expérimentale • Objectif : étudier, par le biais d’essais en cuve à houle, l’influence d’un courant ambiant sur la pénétration des vagues dans un port et l’agitation portuaire. • Effets liés à la marée importants le long des côtes Atlantique –Manche - Mer du Nord françaises. • Les courants de remplissage et de vidange des différents bassins d’un port sont responsables, selon le cas, d’une atténuation des conditions d’agitation ou au contraire d’une amplification de la hauteur des vagues lorsque le courant s’oppose à la houle • Les résultats de l’étude expérimentale sont destinés à : • analyser et caractériser les effets physiques d’un courant stationnaire sur l’agitation, en particulier dans la zone de diffraction, • constituer un jeu de données de validation pour les modèles numériques d’agitation côtière et portuaire, en particulier REFONDE (CETMEF) et ARTEMIS (EDF R&D - LNHE). JST CETMEF 2008 – Interactions vagues-courant en agitation portuaire

6. Le dispositif expérimental – Bassin à vagues Générateur de houle mobile sur 180° Fosse à courant 12,50m R=12,65m 8,50m 17m 21m Poutre mobile 0,60m Surface libre max 0,77m 0,43m 0,90m Plate-forme d’essais Châssis mobile 0,33m 0,13m Fosse à courant Plate-forme Zone constructible CUVELAGE 28mx33m Grande Cuve d’Agitation GCA (Chatou) : Longueur : 33 mLargeur : 28 mZone d’essai : Plate-forme semi-circulaire de rayon 12.65 m Hauteur d’eau maximale : 0.45 m dansla zone d’essai Générateur de vagues : Type « volet oscillant » Longueur : 17 m Vagues monodirectionnelles,régulières ou irrégulières. JST CETMEF 2008 – Interactions vagues-courant en agitation portuaire

7. Le dispositif expérimental – Port et courant Batteur à houle mobile Port schématique comprenant : - une passe d’entrée, - un avant-port, - un chenal d’accès vers l’intérieur du port. Fonds plats dans tout le bassin Digues représentées de façonsimplifiée (digues à talus). Générateur de courantcomprenant : • - deux pompes d’un débit maximalde 250 l/s chacune, • - un partiteur. Le courant est envoyé dans la cuvepar le biais de deux fosses à courantau large et au fond du port. Courant dans un sens ou dans l’autre(entrant = flot, ou sortant = jusant). JST CETMEF 2008 – Interactions vagues-courant en agitation portuaire

8. JST CETMEF 2008 – Interactions vagues-courant en agitation portuaire

9. Extrapolation indicative à des conditions réelles Avec une échelle géométrique indicative de 1/60ème, on obtient les caractéristiques à échelle réelle : Dimensions du port : • largeur de la passe d’entrée Le ~ 200 m (au niveau moyen de mer) • dimensions de l’avant-port : ~ 450 m x 400 m , • dimensions de l’accès à l’arrière-port : ~ 200 m x 250 m. Hauteurs d’eau : de 18 à 21 m Conditions de vagues : hauteurs H de 3,0 à 3,6 m périodes T de 7,5 à 9,5 s. Vitesses de courant dans la passe :de 0,4 à 0,8 m/s ( représentatives des vitesses de remplissage / vidange d’un port en plein flot ou en plein jusant, tel que Port-2000 par exemple) JST CETMEF 2008 – Interactions vagues-courant en agitation portuaire

10. Le dispositif expérimental – Métrologie d’essais Sonde de vitesse (SONTEK-2D) Transmetteur de houle Mesure des vagues : • Sondes résistives TDH (transmetteurs de houle) • - réseau de 3 sondes au large(détermination des conditions incidentes), • - réseau de 20 points fixes au sein du port . Durée d’acquisition : 40 secondes(= au moins 30 vagues en conditions établies). Fréquence d’acquisition : 25 points par période Mesure du courant : Une sonde vélocimétrique SONTEK-2D,placée sur la passerelle de la cuve. Mesures en 7 points de la cuve :- 1 à l’extérieur,- 1 à l’entrée du port,- 5 dans le port. Mesure en un point sur la verticale. Signaux moyennés en temps pour filtrerles composantes orbitales de vagues. JST CETMEF 2008 – Interactions vagues-courant en agitation portuaire

11. Conditions et paramètres des essais Essais réalisés en conditions de vagues régulières (monochromatiques) Paramètres variés au cours des essais : • Paramètres de vagues incidentes, à savoir : • - la hauteur H, • - la période T, • - la direction de provenance θ. • Profondeur d’eau dans la cuve (niveau d’eau au repos d). • Débit liquide Qe transitant par la passe d’entrée du port (positif pour un flux d’eau entrant dans le port, négatif pour un flux sortant). • Un essai correspond ainsi à une valeur du quintuplet (H, T, θ, d, Qe). • 4 séries d’essais, représentant 23 essais conservés au final. Procédure d’essais avec vagues et courant :  mise en route du circuit courant,  attente de stabilisation du champ de vitesses (5-10 minutes),  démarrage du générateur de vagues, puis des acquisitions. JST CETMEF 2008 – Interactions vagues-courant en agitation portuaire

12. Champs de courants mesurés/calculés Réalisation d’un modèle de courantologie du port : - comparaison avec les mesures réalisées en quelques points, - préparation des champs de courant pour la modélisation numérique de l’agitation (en cours). Le logiciel TELEMAC-2D • Résout les équations de Saint-Venant en éléments finis • Développé à EDF R&D LNHE depuis 1987, et largement diffusé (185 licences) • Prend en compte: - le frottement sur le fond - le frottement en surface - la pression atmosphérique - les forces de Coriolis JST CETMEF 2008 – Interactions vagues-courant en agitation portuaire

13. Comparaison mesures/calculs pour les 4 débits JST CETMEF 2008 – Interactions vagues-courant en agitation portuaire

14. Série 1 : Influence du courant (sens et intensité) Série de référence : • conditions de vagues fixées (incidence dans l’axe du chenal d’accès). • 2 conditions de débits entrants et 2 de débits sortants. Courant : aucun remplissage vidange Variable Constants JST CETMEF 2008 – Interactions vagues-courant en agitation portuaire

15. Série 1 : Cas d’un courant entrant (remplissage) Qe = 70 l/s JST CETMEF 2008 – Interactions vagues-courant en agitation portuaire

16. Série 1 : Cas d’un courant sortant (vidange) Qe = 70 l/s JST CETMEF 2008 – Interactions vagues-courant en agitation portuaire

17. Série 1 : Influence du courant (sens et intensité) Courant de remplissage du port (même sens que les vagues) : • Diminution des hauteurs de vagues dans quasiment tout le port, à l'exception d'une partie de l'avant-port (léger courant de recirculation, contraire aux vagues amplifie localement les hauteurs). • Même comportement pour les deux débits testés : • -5 à -50 % pour Qe = 40 l/s et de 0 à -70 % pour Qe = 70 l/s, • localement (zone de courant contraire) augmentation de 10 à 30 % pour Qe = 40 l/s et de 15 à 70 % pour Qe = 70 l/s.   Courant de vidange du port (sens opposé aux vagues) : • Pour Qe = 40 l/s : augmentation de 20 à 115 % des hauteurs de vague dans la veine d'écoulement principale, et diminution de -20 à -70 % dans la zone de re-circulation.  • Pour Qe = 70 l/s : augmentation de 20 à 90 % (localement 150 %) des hauteurs de houle dans quasiment tout le port, et diminution de -10 à-30 % dans la zone de re-circulation JST CETMEF 2008 – Interactions vagues-courant en agitation portuaire

18. Série 2 : Influence de la direction des vagues Test d’une direction oblique de 15° par rapport à l’axe du chenal d’accès. Série 1 avec vagues dans l’axe du chenal Série 2 avec direction oblique Nouvelle direction JST CETMEF 2008 – Interactions vagues-courant en agitation portuaire

19. Série 2 : Influence de la direction des vagues Courant de remplissage du port (même sens que les vagues) : • Comportement pour cette nouvelle direction de provenance des vagues assez différent de celui observé sur la série 1. • Augmentation jusqu’à +20 % des hauteurs en plusieurs points dans la veine d’écoulement principal, pour les deux débits testés. • Dans le reste du port, diminution de l’agitation, au maximum de –40 % pour Qe = 40 l/s, et de –70 % pour Qe = 70 l/s.  Courant de vidange du port (sens opposé aux vagues) : • Effets du courant similaires à ceux des essais de la Série 1 (Qe = 40 l/s). • Dans la veine d'écoulement principale, à la fois des points où l’agitation est augmentée et des points où elle est diminuée. • Dans la zone de re-circulation (où les vagues pénètrent mieux pour cette direction d’incidence), augmentation de hauteur entre +40 à +135 %.  • (NB: Essai à Qe = 70 l/s difficilement exploitable pour cette série) JST CETMEF 2008 – Interactions vagues-courant en agitation portuaire

20. Série 3 : Influence des conditions de houle incidente 3.A Test d’une hauteur de vague plus élevée de 20% (6 cm au lieu de 5 cm).3-B Test d’une période de vague plus élevée de 20 % (1.2 s au lieu de 1.0 s). Série 3-A hauteur plus grande Série 3-B période plus grande JST CETMEF 2008 – Interactions vagues-courant en agitation portuaire

21. Série 3-A : Influence des conditions de houle incidente A. Effet de la hauteur des vagues incidentes (plus forte que pour série 1) : Courant de remplissage du port (même sens que les vagues) : • Pour la hauteur de vague incidente plus élevée, même type de résultats que pour la série 1. • Diminution de hauteur de vagues du même ordre de grandeur que celle observée au cours de la Série 1 : jusqu’à -50 % pour Qe = 40 l/s jusqu’à -70 % pour Qe = 70 l/s. Courant de vidange du port (sens opposé aux vagues) : • Pour Qe = 40 l/s : mêmes effets du courant que dans les essais de la Série 1, à savoir une augmentation des hauteurs de vague dans la veine d'écoulement principale pouvant atteindre 120 %, et diminution dans la zone de re-circulation pouvant atteindre –50 %. • (NB: Essai à Qe = 70 l/s difficilement exploitable pour cette série) JST CETMEF 2008 – Interactions vagues-courant en agitation portuaire

22. Série 3-B : Influence des conditions de houle incidente B. Effet de la période des vagues incidentes (plus élevée que pour série 1) : Courant de remplissage du port (même sens que les vagues) : • Pour la période de vague incidente plus élevée, même type de résultats que pour la série 1. • L'effet du courant sur les hauteurs de vagues est une diminution moins importante que celle observée dans la Série 1 : - inférieure à -30 % pour Qe = 40 l/s, - inférieure à -60 % pour Qe = 70 l/s. Courant de vidange du port (sens opposé aux vagues) : • Pour Qe = 40 l/s : effets du courant analogues à ceux observés dans la Série 1. Augmentation des hauteurs dans la veine d'écoulement principale jusqu’à +90 %, et diminution dans la zone de re-circulation jusqu’à -60 % (en des points où l’agitation est faible). • Pour Qe = 70 l/s : augmentation de l’agitation en tous les points du port: - entre +10 et +50 % dans l’avant-port - entre +70 et +90 % dans la partie d’accès vers l’arrière-port. JST CETMEF 2008 – Interactions vagues-courant en agitation portuaire

23. Série 4 : Influence de la profondeur d’eau Courant de remplissage du port (même sens que les vagues) : • Même type de résultats que pour la série 1. • Pour la profondeur d’eau plus élevée, diminution de hauteur (par rapport à la série 1) : • moins marquée pour Qe = 40 l/s, pouvant atteindre -40%, • du même ordre de grandeur pour Qe = 70 l/s, jusqu’à -70 %.  Courant de vidange du port (sens opposé aux vagues) : • Pour Qe = 40 l/s : même type de résultats que pour la série 1 : • augmentation des hauteurs dans la veine d'écoulement principale pouvant atteindre 120 %, • diminution dans la zone de re-circulation jusqu’à -80 % (à des points où l’agitation est faible). • Pour Qe = 70 l/s : augmentation de l’agitation en quasiment tous les points du port, entre 0 et +100 % (localement +130%, en un point situé dans une zone peu exposée). JST CETMEF 2008 – Interactions vagues-courant en agitation portuaire

24. Résumé des conclusions principalesissues des expériences en bassin (1) Réalisation et retour d’expérience des essais en bassin : • Protocole expérimental (choix des conditions hydro, représentation des ouvrages, métrologie,…) pas trivial à mettre au point et à caler • Mesures en conditions de vagues régulières pas toujours très stables ; choix d’une fenêtre temporelle quasi-établie et moyenne sur 5 vagues successives. • Certains essais en courant de vidange fort (Qe = 70 l/s) difficiles à interpréter. Synthèse des effets mis en évidence : • On observe, comme attendu, des effets d’amplification des hauteurs de vagues pour des courants opposés aux vagues (vidange du port) et d’atténuation pour les courants de même sens (remplissage du port). • effets d’autant plus marqués que le courant est fort, • mais, du fait de la configuration du port, des recirculations (ou zones tourbillonnaires) provoquent localement des variations de sens opposé à la tendance générale. JST CETMEF 2008 – Interactions vagues-courant en agitation portuaire

25. Résumé des conclusions principalesissues des expériences en bassin (2) Synthèse des effets mis en évidence (suite) : • Forte sensibilité des effets du courant à la direction de propagation des vagues. Différences importantes entre Séries 1 et 2, à la fois en intensité et en répartition spatiale (les zones d’augmentation ou de diminution des hauteurs ne sont pas les mêmes dans les deux séries d’essais). • Influence des conditions de vagues incidentes (hauteur et direction) assez faible sur les effets du courant sur la houle : • L’augmentation de la hauteur de vague donne des tendances d’augmentation / diminution des agitations du même ordre de grandeur. • L’augmentation de la période de houle conduit à des effets du courant moins marqués (=> effets du courant plus importants quand la période de houle est plus faible). • Influence de la profondeur d’eau : les essais avec Qe = 40 l/s semblent indiquer que les effets du courant diminuent lorsque la profondeur d’eau augmente (mais la vitesse du courant n’était pas exactement la même). JST CETMEF 2008 – Interactions vagues-courant en agitation portuaire

26. Suites des travaux et perspectives Etude expérimentale : • Fin des analyses des mesures et interprétation des résultats. • Finalisation du rapport d’étude. Modélisation numérique : • Codage et validation de l’effet des courants dans les codes d’agitation. • Extension de l’équation de Berkhoff (cf. Kirby, 1984 ; Chen et al., 2005)(complétée par des conditions aux limites appropriées) : avec : Système non-linéaire => résolution itérative. • En cours de test et de validation dans le module ARTEMIS. Termes liés au champ de courant ambiant Terme dissipatif JST CETMEF 2008 – Interactions vagues-courant en agitation portuaire

27. Quelques autres axes de R&D en agitation portuaire • Modélisation d’ouvrages plus réels (processus de réflexion, transmission, dissipation d’énergie) : - pontons flottants, - brise-lames submergés. • Amélioration de la modélisation de la physique des processus de déferlement et de frottement au fond. • Amélioration des conditions aux limites + interfaçage avec les modèles de propagation spectraux (TOMAWAC, SWAN, etc.). • Faisabilité de la prise en compte de l’effet du vent pour estimer le clapot généré sur de grands domaines portuaires. • Optimisation algorithmique et informatique (solveurs, parallélisme) pour traiter de grands domaines (~106 à 107 points) en houle irrégulière avec processus dissipatifs (déferlement, frottement). • Explorer des pistes pour aller vers une modélisation non-linéaire des vagues (en cours au sein du Laboratoire pour la zone côtière). JST CETMEF 2008 – Interactions vagues-courant en agitation portuaire

28. Remerciements Cette étude expérimentale a été réalisée dans le cadre de la Convention Biparti EDF-Ministères, en collaboration avec le CETMEF. Elle fait l’objet d’une subvention (réf. 00-DST-24) de la Direction de la Recherche et de l’Innovation (DRI, anciennement DRAST) du Ministère de l’Ecologie, de l’Energie, du Développement Durable et de l’Aménagement du Territoire (MEEDDAT). Merci de votre attention. JST CETMEF 2008 – Interactions vagues-courant en agitation portuaire