Expériences et Simulations pour l'étude de Canopées aquatiques immergées composées de longues tiges Fexibles (ESCaFlex) – ESCaFlex

Les écosystèmes aquatiques constituent une thématique d’importance majeure en raison de leur abondance et de leurs rôles variés à différentes échelles, depuis leur influence sur la qualité de l’eau potable prélevée localement dans les rivières jusqu’à leur impact à grande échelle sur le changement climatique. L’interaction entre un écoulement et les plantes flexibles des canopées aquatiques détermine aussi bien le régime hydraulique que le transport de sédiments, de nutriments et de polluants. Alors que les canopées composées d’éléments rigides ont fait l’objet d’un grand nombre de travaux expérimentaux, les canopées constituées d’éléments très flexibles, i.e. à grand nombre de Cauchy, ont beaucoup moins été étudiées. L’objectif de ce projet est de combler ce manque de connaissances en combinant de façon judicieuse des simulations numériques et des expériences afin d’étudier les interactions hydromécaniques en présence de reconfiguration et leur impact sur le transport de scalaires passifs. Un élément essentiel du projet est le lien étroit avec les situations d’intérêt pour l’écologie des systèmes, assuré par la participation d’une spécialiste d’écohydraulique et des plantes aquatiques. Les expériences et les simulations numériques sont réalisées pour trois configurations : (1) des configurations tests avec une tige unique et un petit nombre de tiges afin de développer les techniques et méthodes et de les valider, (2) des canopées homogènes avec des tiges uniformes très flexibles, (3) des canopées comportant des clairières afin de reproduire des situations à l’échelle du patch. La spécialiste d’écohydraulique a pour tâche de recueillir des données permettant de caractériser des plantes aquatiques réelles isolées et assemblées en patch, ce qui permet un choix optimal des paramètres pour les expériences et simulations numériques. Une configuration identique est utilisée dans ces deux approches, les simulations permettant d’obtenir des données qui, e.g., ne peuvent pas être mesurées. De plus, les avantages respectifs des expériences et des simulations sont exploités par une exploration complémentaire de la gamme des paramètres. Ceci produit une base de données très solide et très fournie. Des techniques innovantes sont employées à la fois dans les expériences et les simulations. Pour les expériences, les techniques de PIV, PLIF et ADVP sont adaptées pour la mesure simultanée de concentration de scalaire, vitesse du fluide, et position instantanée des tiges. Aucune simulation convaincante de canopées faite d’éléments flexibles n’existe à l’heure actuelle. Ici, une méthode innovante est mise en place, qui combine une méthode de frontières immergées très efficace avec un algorithme de couplage semi-implicite propre au laboratoire et un schéma extrêmement efficace pour des poutres de Cosserat. Des simulations très bien résolues avec des milliers de tiges sont ainsi possibles et fournissent un très gros jeu de données. L’évaluation collaborative des données, qui implique la spécialiste d’écohydraulique, produit une combinaison interdisciplinaire de savoir idéale. L’objectif final est d’accéder à une compréhension détaillée des processus complexes en jeu dans et au-dessus de canopées à nombre de Cauchy élevé et de transformer ces résultats de façon à les rendre utiles et applicables aux systèmes aquatiques.