Dans ce premier chapitre, nous avons présenté la passe à poissons d’une manière géné- rale en expliquant son principe de fonctionnement. Ensuite, nous nous sommes concentrés sur l’étude de l’écoulement au sein de la passe à fentes verticales, celle-ci a subi plusieurs modifications au niveau de sa géométrie afin de rendre l’écoulement adapté aux capacités de nage des petites espèces. D’autres modifications ont été réalisées au sein de la passe à poissons à fentes verticales par l’insertion d’obstacles. Cette technique d’insertion d’obs- tacles a pour but de diminuer les intensités turbulentes de l’écoulement et d’augmenter le taux de dissipation. Les obstacles à insérer différent par leur forme, taille et positionnement dans les bassins de la passe à poissons et nous avons cité quelques formes telles que la pa- roi rugueuse, le seuil positionné dans la fente et les obstacles de formes cylindriques. Ces derniers assurent une bonne dissipation de l’énergie cinétique turbulente dans la passe en réduisant les grandeurs cinématiques de l’écoulement et en créant des zones de repos pour les poissons. Par la suite et dans les prochains chapitres, nous allons nous intéresser à analy- ser l’écoulement modifié par l’ajout du cylindre en optimisant sa taille avec sa position idéale dans le bassin. Cette technique d’optimisation est principalement basée sur quelques gran- deurs cinématiques de l’écoulement dont la dissipation de l’énergie cinétique turbulente fait partie. Cependant, elle ne peut se réaliser qu’avec l’utilisation des outils numériques et expérimentaux que nous allons définir dans le chapitre suivant.
C
HAPITRE
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TECHNIQUES DE MESURES ET
OUTILS NUMERIQUES
Dans ce chapitre, nous allons présenter d’une façon générale le dispositif expérimental et les techniques d’analyse (mesures expérimentales et modélisation numérique) afin de ca- ractériser l’écoulement turbulent et analyser les différents phénomènes physiques rencon- trés. L’analyse et la compréhension de l’écoulement turbulent au sein de la passe à poissons a pour but de rechercher des solutions afin de faciliter le passage des petites espèces de pois- sons.
En premier lieu, nous présentons le modèle de la passe à poissons construit au sein du laboratoire (prototype à l’échelle 1/4) et les modifications géométriques nécessaires à notre étude (insertion des rugosités et adjonction des cylindres).
Ensuite, nous expliquons les techniques de mesures expérimentales employées : la Vélo- cimétrie Acoustique par effet de Doppler (ADV) et la Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV). Grâce à ces deux dispositifs, nous allons avoir accès aux principales caractéristiques de l’écoulement sur lesquelles l’adaptation de l’écoulement aux capacités de nage des pe- tites espèces est basée.
Enfin, nous terminons par une modélisation numérique de l’écoulement au sein de la passe à poissons prototype, cette étude numérique nous donne aussi des informations sur l’écoulement turbulent, informations pouvant être comparées aux données expérimentales. Afin d’établir la modélisation numérique, nous avons fait appel à deux logiciels commer- ciaux, un logiciel de calcul (Star-CD) et un logiciel de maillage (PointWise).
2.1 DISPOSITIF EXPERIMENTAL ET PASSE A POISSONS
Le dispositif expérimental utilisé est composé de quatre éléments formant une boucle : la cuve d’entrée, la passe à poissons, la réserve d’eau et le système de pompage (Figure 2.1). Le fluide présent dans la cuve amont alimente la passe. L’écoulement se fait d’un bassin à un autre à travers chaque fente verticale pour finalement se déverser dans un bassin de ré- cupération où l’eau est pompée pour être refoulée par un système hydraulique dans la cuve amont.
FIGURE2.1 – Schéma du dispositif expérimental
La cuve d’alimentation a une capacité de 2500 L et les deux bassins de récupération ont une capacité de 5500 L (Figure 2.2).
(A) (B)
FIGURE2.2 – Cuve (A) et bassins de récupération(B)
L’élément le plus important dans ce dispositif est la passe à poissons, sur laquelle nous allons effectuer nos mesures (Figure 2.3).
2.1. DISPOSITIF EXPERIMENTAL ET PASSE A POISSONS 43
Le modèle de passe à poissons à fente verticale utilisé a été conçu au sein du laboratoire. Ce modèle a été réalisé à une échelle 1/4 par rapport à une passe réelle en France tout en conservant la similitude basée sur le nombre de Froude. La passe à poissons est composée de cinq bassins séparés par des fentes verticales, son canal mesure 4,843 m de longueur, 0,715 m de largeur et 0,55 m de hauteur (Figure 2.3).
Le Tableau 2.1 récapitule les caractéristiques de la passe à poissons à l’échelle 1/4. Caractéristiques
générales du modèle
Similitude géométrique 1/4 Echelle des vitesses et puissances volumiques 1/2 Echelle des débits 1/32 Caractéristiques géométriques d’un bassin Largeur de la fente b = 0.075 m Longueur du bassin L = 0.75 m Largeur du bassin B = 0.675 m
Hauteur d’eau moyenne h = 0.30 m
Pente 10%
Principales grandeurs
Puissance volumique dissipée P = 170 W/m3
Vitesse maximale Vmax= 1.2 m/s
Vitesse débitante dans la fente Vd= 1.06 m/s
Nombre de Froude F r < 1
Nombre de Reynolds Re ≈ 80000
TABLEAU2.1 – Caractéristiques de la passe à poissons
FIGURE2.3 – Passe à poissons
Toutes les mesures ont été effectuées sur le troisième bassin dans lequel l’écoulement est bien établi. Le bassin de la passe à poissons est caractérisé par une fente verticale de largeur
b = 7,5 cm, une longueur L = 75 cm et une largeur B = 67,5 cm (Figure 2.4). Cette dernière
peut être modifiée à l’aide d’une paroi amovible pour obtenir une largeur de B = 50 cm. Nous travaillerons à pente fixe de 10%, le débit d’étude étant fixé à 23 l/s.
(A) Troisième bassin de la passe (B) Caractéristiques d’un bassin FIGURE2.4 – Schéma d’un bassin
Les deux techniques de mesures ont été réalisées dans deux repères différents, les me- sures par Vélocimétrie Acoustique par effet Doppler (ADV) ont été effectuées dans un repère terrestre R0(O, X0, Y0, Z0) et les mesures par Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV) ont
été effectuées dans un repère parallèle au radier de la passe à poissons R(O, X , Y , Z ) (Figure 2.5).
FIGURE2.5 – Repères utilisés dans un bassin
Afin de dégager l’influence des obstacles au sein des bassins de la passe, nous allons, en premier lieu, insérer des plaques de fonds équipées de plots de diamètre de Dr = 3,5 cm
et de hauteur Hr = 5 cm. Cette étude de rugosité de parois nous permet de collecter des
informations sur l’impact des rugosités sur l’écoulement (Figure 2.6).
Enfin, l’étude de l’influence de l’insertion des obstacles de forme cylindrique dans le bas- sin sur l’écoulement sera exposée. Le cylindre a comme caractéristiques : un diamètre de
Dc= 3 cm et une longueur de Lc= 50 cm (Figure 2.7).
Il est à noter que lors des mesures avec le laser, un masque au niveau des rugosités et autour du cylindre est utilisé pour le traitement des données PIV.