MORHOC'H 2 - Modélisation de l’interaction de la houle et d’un courant inhomogène en zone côtière

Contact PI : Julien Touboul - MIO

Durée du projet : 31 janvier 2021 - 31 janvier 2024

 

Ce projet de recherche donne suite au projet ANR ASTRID MORHOC’H, qui s’attachait à l’étude des processus ayant un impact significatif sur la propagation de la houle en présence d’un courant dont la structure varie verticalement. En effet, il n’est pas rare de rencontrer de tels courants dans les zones côtières, puisque les effets conjugués du vent et de la bathymétrie peuvent en modifier profondément le profil vertical. Or la modélisation, physique et numérique, de telles zones est un enjeu stratégique, aussi bien dans le domaine civil (sécurité côtière, énergie marine renouvelables, …) que dans le domaine militaire (débarquement, secours, applications navales).

Deux résultats, issus du projet, mobilisent ici notre attention. Ainsi, le projet MORHOC’H nous a permis de mettre au point un dispositif expérimental, particulièrement robuste, visant à maîtriser expérimentalement la structure verticale d’un courant en canal hydrodynamique. Par ailleurs, un nouveau modèle a vu le jour, apellé CMS, permettant d’étendre le domaine d’application des modèles de propagation de houle à phase résolue afin de prendre en considération des configurations impliquant de fortes vorticités du courant.

Le projet MORHOC’H 2 vise donc à augmenter le degré de maturation de ces deux résultats, afin de les rapprocher d’une utilisation en conditions réelles. Tout d’abord, le dispositif de contrôle du profil de courant sera étendu à des configurations de taille plus importantes, et deviendra applicable dans des bassins tridimensionnels. De nombreux acteurs industriels, opérateurs de bassins d’essais hydrodynamiques, y auront alors accès. Par ailleurs, le modèle de propagation CMS sera couplé avec le code de circulation hydrodynamique côtière communautaire CROCO, développé par le SHOM, l’IRD, le CNRS, l’IFREMER, et l’INRIA, afin de le rendre utilisable dans des conditions réalistes. Ainsi, les améliorations issues du projet initial deviendront accessibles à des environnements réalistes. Les deux approches en modélisation côtière, physique et numérique, deviendront ainsi plus performantes, et pourront décrire des situations plus réalistes.

Objectifs globaux, verrous scientifiques/techniques

 

Les objectifs globaux du programme sont d’étendre l’applicabilité des résultats du projet MORHOC’H à des configurations plus réalistes en modélisation côtière, impliquant des écoulements à fortes vorticité. Les verrous expérimentaux, mathématiques et théoriques avaient été surpassés dans une première phase, au cours du projet ANR ASTRID MORHOC’H. Ce nouveau programme vise donc à surpasser les difficultés techniques qui résultent de cette approche.

Sur le plan expérimental, le dispositif de contrôle de la structure du courant avait été développé dans un canal de petite taille, bidimensionnel. Différents écrans, de formes souhaitées, avaient ainsi été fabriqués. Il s’agit ici de généraliser la technique à des bassins de taille plus importante, permettant un contrôle de forme plus opérationnel.

Sur le plan numérique, le modèle CMS, obtenu précédemment, n’avait été développé qu’en Matlab, sur un maillage cartésien structuré, et était donc inutilisable en conditions côtières réelles. Il s’agit donc ici de coupler cet outil avec un logiciel de circulation hydrodynamique côtière, tout en bénéficiant des meilleures approches numériques (maillage, calcul parallèle, intégration temporelle, …) développées pour CROCO. Le modèle devient ainsi utilisable dans des conditions réalistes de modélisation côtière.

Programme de travail

 

Compte tenu de l’approche scientifique envisagée ici, le projet sera divisé en quatre grandes taches, techniques, en plus des deux tâches de management et de dissémination des résultats.

La première consistera à implémenter la version numérique du modèle CMS, couplé avec le modèle de circulation hydrodynamique côtière CROCO. Cette tâche sera effectuée en collaboration très étroite avec le SHOM et l’IRD, afin de garantir l’interopérabilité, et l’efficacité numérique des modèles de propagation obtenus. Cet effort de développement durera sur la quasi-totalité du projet, mais sera segmenté afin de pouvoir en réaliser la validation tout au long du projet.

La seconde de ces tâches techniques se fixe pour objectif de concevoir le dispositif expérimental, et de le déployer et de le tester dans le bassin de génie océanique FIRST, à la Seyne sur Mer. Cette tâche sera réalisée au cours de la première année du projet, afin de pouvoir utiliser le résultat à des fins de validation, par comparaisons entre données numériques et données expérimentales en environnement contrôlé.

Enfin, une tâche de validation sur un site réaliste sera réalisée en tâche 4. A cet effet, le site du Raz Blanchard, démonstrateur d’un projet d’hydroliennes en mer, est bien connu pour mettre en défaut les modèles de propagation et de circulation dans les conditions de forts courants, très cisaillés, qu’il abrite. Ce site, très documenté expérimentalement, constituera donc un excellent démonstrateur des progrès accomplis en milieu naturel.

Retombées scientifiques, techniques, économiques

 

Les modèles de houle et de sa propagation en zone côtière sont de plus en plus performants, par les progrès réalisés en modélisation mathématique, la puissance croissante des moyens de calculs et les données de mesure de plus en plus nombreuses et performantes.

Les modèles de propagation montrent cependant leurs limites pour des bathymétries abruptes, ou en présence de courants non homogènes, notamment à cause des limites de validité des méthodes de calcul des équations de propagation, le plus souvent basées sur des pentes douces et sur des courants non cisaillés.

Le même constat peut être réalisé au sujet des modèles physiques de propagation et de circulation côtière. Ces derniers, de plus en plus performants en termes de vitesse de courant, de profondeur atteignable, ou de gamme de houles (en termes de fréquences, d’amplitudes et de directionnalité) progressent sans arrêt. Cependant, à ce jour, aucun bassin industriel ne dispose d’outils permettant de contrôler finement la structure verticale du courant, tout en étudiant son interaction avec la houle.

Ces difficultés ont été dépassées à l’échelle du laboratoire, dans le cadre du projet MORHOC’H. Ce programme de recherches permettra d’amener ces avancées à un niveau de maturation suffisant pour les rendre exploitables en conditions réalistes. Ainsi, le dispositif de contrôle du courant deviendra utilisable dans des conditions plus conformes à la réalité industrielle. Par ailleurs, le modèle de propagation de houle, CMS, sera couplé avec le modèle de circulation hydrodynamique côtière, CROCO. Ces deux outils deviendront ainsi accessibles aux nombreux acteurs de la modélisation côtière, qu’ils soient civils ou militaires, publics ou privés.