Modeling of flow and sediment transport in the vicinity of immersed structures : application to aquaculture cages
Modélisation des écoulements et du transport de sédiments au voisinage de structures immergées : application aux cages d'aquaculture
Résumé
This manuscript presents investigations of current and sediment transport in the vicinity of large immersed structures in shallow water flows. It focuses on aquaculture cages installed in the roadstead of Cherbourg. Being located in a high stream zone, these obstacles have a non-negligible effect on currents as well as turbidity. In spite of numerous references on this topic, many questions still arise concerning the environmental impact of such objects. Quantitative information are still needed about the flow below the cage, turbulence production, erosion of the sand bed, sediments resuspension, and evacuation of effluents. To deal with these open questions, we have chosen to develop three complementary approaches. The thesis starts with an analytical study of the flow in a simplified two-dimensional model containing a large rectangular porous structure. Only the motion in the vertical mid-plane of the obstacle is considered. This preliminary model provides estimations of various dynamic quantities, like the velocity increase below the cage, the decay of piezometric pressure along the stream, and turbulence production. Then follows a numerical analysis of the very same flow, based on less stringent approximations. Because of the high cost of computations, simulations have been done at a reduced scale. Nevertheless, they confirm most of the findings of the analytical approach for very permeable cages, and provide crucial information also about weakly permeable cages which were out of reach of the analytical model. In particular, the formation of a recirculation cell behind such cages, together with turbulence production, have been studied with the numerical model. This effect has been observed to affect sediment and effluent transport: when the flow at the rear of the cage takes the form of a cell with closed streamlines, the cage can be thought of as closed and most of the flow passes below. This creates large velocity gradients and produces turbulence which significantly increases the dispersion of sediments and effluents. These particles are then likely to be captured for some time in the cell, instead of being evacuated away. In addition to these theoretical approaches, in-situ current and turbidity measurements have been performed upstream and downstream of a large cage immersed in the roadstead of Cherbourg. They confirm the existence of a fast stream emerging from below the cage. Vertical streamwise velocity profiles have been shown to agree with theoretical ones, in the case of a very permeable cage. Also, large turbidity levels have been recorded at the rear of a weakly permeable cage, in qualitative agreement with simulations.
Les travaux présentés dans ce manuscrit portent sur les courants et le transport de matière solide en suspension, au voisinage de grandes structures immergées en eau peu profonde. Nous avons focalisé notre étude sur le cas de cages d'aquaculture installées dans la rade de Cherbourg. Situées dans une zone de fort courant, elles impactent leur environnement en modifiant l'écoulement et la turbidité locale. En dépit de nombreuses études déjà disponibles sur l'impact hydrodynamique de tels obstacles, de nombreuses questions se posent encore concernant l'écoulement sous la cage, la production de turbulence, l'érosion du sol et la remise en suspension de sédiments, ainsi que le devenir des déchets produits par la cage. Nous avons choisi de développer trois approches complémentaires pour apporter des éléments de réponse à ces questions. La thèse débute par une étude purement théorique de l'hydrodynamique au voisinage d'un obstacle immergé, assimilé à un milieu poreux, et dans une géométrie simplifiée. Ce modèle bi-dimensionnel, dans le plan vertical, donne de premiers ordres de grandeurs concernant la chute de pression motrice le long du courant, l'accélération du fluide sous la cage, la production de turbulence. Cette étude est suivie d'une analyse numérique de ce même modèle, dans laquelle certaines approximations seront levées. En particulier, le modèle numérique permet de considérer des cages plus imperméables que celles analysées par le modèle théorique. Il est cependant limité en nombre de Reynolds, et a été appliqué avec des échelles réduites. Ce modèle numérique a permis d'analyser le lien direct entre le coefficient de traînée effectif de la cage et diverses quantités-clés : le débit à travers la cage, la chute de pression le long du courant, la production de turbulence et l'apparition d'une zone de recirculation à l'arrière de l'obstacle. Ce dernier effet, visible seulement pour des cages très imperméables, a un impact notable sur le transport de sédiments et d'effluents : lorsque l'arrière de la cage devient une zone morte (zone de recirculation), l'essentiel du débit passe au dessous, ce qui crée de fortes survitesses et produit de la turbulence. Celle-ci peut alors entraîner des particules indésirables dans la zone morte, ce qui augmente notablement la complexité de leurs trajectoires et retarde leur évacuation. Enfin, ces études théoriques ont été complétées par des mesures vélocimétriques et turbidimétriques à l'amont et à l'aval d'une grande cage installée dans la rade de Cherbourg. Celles-ci confirment la présence d'une survitesse en provenance du dessous de la cage, comparable à celle prédite par le modèle théorique. Dans le cas d'une cage très peu perméable, la persistence d'une forte turbidité a été mesurée à l'aval de celle-ci, en accord qualitatif avec les simulations numériques.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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