Cadre de l’étude

4.1.3 Construction du pilote inondation . . . 144

4.1.4 Instrumentation et incertitudes . . . 149

4.1.5 Présentation des conditions expérimentales . . . 158

4.2 Reproductibilité des expériences . . . 161

4.2.1 Reproductibilité des hauteurs d’eau . . . 161

4.2.2 Reproductibilité de la répartition des débits . . . 161

4.3 Description du régime hydraulique observé . . . 164

4.3.1 Nombre de Froude indépendant des débits injectés . . . 164 4.3.2 Répartition des débits indépendante des débits injectés . . . 165 4.3.3 Champ de hauteur fonction des débits injectés . . . 170 4.3.4 Pertes de charge singulières . . . 180 4.3.5 Résumé sur les caractéristiques du régime d’écoulement pour une

in-jection symétrique . . . 182

4.4 Influence des conditions à l’amont sur les écoulements . . . 184

4.5 Perspectives . . . 188

4.6 Conclusion . . . 191

Symbole Description Unité

F r Nombre de Froude Ø

h Hauteur d’eau m

h∗ Hauteur d’eau normalisée Ø

Ks Coefficient de Strickler m−1/3.s−1

λ_l Échelle du plan Ø

λ_h Échelle des hauteurs Ø

λv Échelle des vitesses Ø

λq Échelle des débits Ø

φouest Part du débit injecté sur la face Ouest %

Qtot Débit total injecté dans le pilote m³/h

R Coefficient de régression Ø

Rh Rayon hydraulique m

Sf Pente de la ligne des frottements Ø

L’étude bibliographique (Chapitre 2) a mis en avant la complexité des phénomènes obser-vés aux jonctions, bifurcations et carrefours entre deux rues. Elle a souligné le peu de résultats expérimentaux disponibles pour décrire ces écoulements. Ces derniers sont ainsi mal connus et aucun modèle complet n’a encore été mis au point pour prévoir les écoulements en fonction des conditions hydrodynamiques et de la géométrie du carrefour étudié. Le Tableau 4.1, qui résume l’étude bibliographique sur les jonctions, montre que les interactions entre plusieurs carrefours ne sont pas encore connues, tout comme l’influence des structures tridimension-nelles sur les caractéristiques globales du carrefour (comme la distribution des débits). Les études expérimentales sur les réseaux de carrefours qui constituent un quartier urbain sont en effet très peu nombreuses. Cela rend impossible toute étude des phénomènes à l’échelle globale du quartier et de la rue, ainsi que la compréhension des structures et mécanismes hydrau-liques qui se mettent en place dans de telles situations. De plus, les données expérimentales sont nécessaires pour valider l’utilisation des outils informatiques ainsi que pour définir leur domaine de validité.

Phénomènes connus et observés Ce qui reste à étudier

Description de structures hydrauliques (zone de recirculation, zone d’écoulement

contracté, etc.)

Caractérisation de leur taille en fonction de la géométrie et des conditions aux limites Description des écoulements dans un

carrefour unique

Interaction entre les carrefours dans un réseau de carrefours

Présence d’écoulements hélicoïdaux Influence des écoulements hélicoïdaux à

l’amont sur la répartition des débits Répartition empirique des débits pour un

carrefour à 4 branches pour des canaux à 90° et de même largeur

Modèle de répartition des débits fonction de la géométrie et des conditions aux limites

Écoulements tridimensionnels Effets sur la distribution des pressions et sur

la répartition des débits

Table 4.1 – Résumé sur les points clés de l’étude des écoulements dans les carrefours.

Face à l’importance que revêt l’expérimental, le laboratoire, aidé par la région Alsace, a investi dans un modèle réduit d’un quartier urbain, instrumenté afin de recueillir un maximum d’informations sur ces écoulements. Cet outil a été baptisé pilote inondation. Ce chapitre a pour objectif :

– la description détaillée du pilote expérimental, de son fonctionnement, des dispositifs de mesure et des incertitudes associées ;

– la description des phénomènes hydrauliques observés lors des études préliminaires réa-lisées sur le modèle réduit ;

serviront, pour la suite de ce travail de thèse, de référence pour comparer et valider l’utilisation des codes de calcul ;

– la proposition de perspectives expérimentales pour approfondir ces résultats prélimi-naires.

4.1 Dispositif expérimental

Le Tableau 2.6 résume les études réalisées par le passé à l’échelle du quartier. Elles nous ont permis de définir le cadre du dispositif expérimental construit au laboratoire et baptisé

pilote inondation. Afin de représenter un quartier classique, la géométrie utilisée lors du projet

Rives a été reproduite. Conçue lors du projet Hy2Ville, elle ne correspond pas à une ville ou à un quartier en particulier, mais à un quartier européen “moyen”, caractérisé par des angles de jonction différents ainsi que des rues de largeurs variables. Le quartier urbain étudié a une superficie de 1 km × 1 km. Il est constitué de 64 blocs imperméables, séparés par des rues de largeurs variables (Figure 4.1). La taille du modèle réduit est de 5 m × 5 m, soit une échelle de 1/200.

Quatorze rues traversent le quartier. Sept rues, nommées de A à G, sont orientées du Nord vers le Sud. Sept rues, nommées de 1 à 7, sont orientées de l’Ouest vers l’Est. Les rues ont globalement une largeur de 5 cm, exceptées les rue 4,C et F qui ont une largeur de 12,5 cm. Les coordonnées de chaque îlot sont fournies dans l’Annexe 7.5 et seront bientôt disponibles sur le site internet du laboratoire.

La gestion problématique des conditions aux limites à l’amont (Tableau 2.2) a été résolue par l’installation de quatorze pompes indépendantes contrôlant chaque débit entrant. Un banc de déplacement situé au dessus du quartier permet les mesures, de manière automatisée, des hauteurs d’eau en tout point du pilote. La mesure des vitesses est prévue, mais n’a pas pu être installée durant cette thèse. Un dispositif de mesure des débits en sortie a été mis en place, et est présenté plus en détail dans la Partie (4.1.4).

Les caractéristiques principales de ce dispositif expérimental sont décrites en détail dans la suite de cette partie.

4.1.1 Cadre de l’étude

Les crues en ville étant des phénomènes extrêmement complexes, nous ne pouvions pas reproduire en laboratoire toutes les caractéristiques des inondations en milieu urbain pré-sentées précédemment dans le Chapitre 1. Cette étude est donc encadrée par les hypothèses suivantes :

y (m) x (m) 1 2 3 4 5 6 7 A B C D E F G

N

Banc de déplacement

N

Figure4.1 – Description du pilote inondation. En haut : photo d’ensemble. En bas : schéma

– les évènements étudiés sont extrêmes. Les débits en jeu sont tels que les écoulements dans les réseaux souterrains sont considérés comme négligeables par rapport aux écoulements en surface. Le réseau n’est donc pas modélisé ;

– les blocs d’immeubles sont considérés comme imperméables. L’eau s’écoule dans les rues. Il n’y aura pas de zone d’eaux mortes ou de stockage, liée à la présence de jardin dans les zones pavillonnaires. Le quartier virtuel est donc un quartier fortement urbanisé comme on pourrait trouver en centre ville ;

– l’eau ne transporte aucun débris. Les embâcles ne sont pas pris en compte.