IV. ETUDE DE L’INFLUENCE DES SEUILS
IV.1 Topologie de l’écoulement
La topologie de l’écoulement a été étudiée en fonction de la largeur des bassins, de l’inclinaison de la passe, du débit et de la hauteur du seuil inséré dans les fentes. Pour mettre en évidence l’influence des seuils, les résultats sont présentés sous une forme cartographique similaire à celle proposée par Wang et al. (2010). De plus, pour faciliter les comparaisons, les résultats topologiques de Wang et al. (2010) en configuration radier lisse sont rappelés (Figure IV-1 a).
Figure IV-1. Cartographies de la topologie de l’écoulement en fonction de la pente, de la largeur des bassins, du
débit et de la hauteur des seuils. (a) configuration radier lisse (Wang et al., 2010), (b) configuration seuil hs/b=0,5, (c) configuration seuil hs/b=1, (d) configuration seuil hs/b=1,5.
(a) (b)
107 L’ensemble des points de mesures qui ont été réalisés, a permis de vérifier que lorsqu’une topologie de type 1 est observée, l’augmentation de la largeur des bassins ne l’influence plus (elle reste en type 1). Il en va de même pour la diminution de la largeur associée à la topologie de type 2. Pour plus de clarté, les points de mesures ne sont pas tous notés sur les graphiques (Figure IV-1), seuls les points permettant de montrer les transitions entre les topologies (Type 1, Transitoire et Type 2) sont présentés. Dans certaines configurations (faibles pentes, forts débits) les topologies n’ont pas pu être mesurées, la capacité limite de la passe à poissons étant atteinte. L’influence de la pente et de la largeur des bassins sur la topologie d’écoulement a été décrite par Wang et al. (2010) dans la configuration radier lisse (Figure IV-1 a). La même tendance est retrouvée lorsque des seuils sont insérés aux pieds des fentes (Figure IV-1 b et c). La diminution de la largeur des bassins tend à forcer l’écoulement à adopter une topologie de type 2. En ce qui concerne la configuration avec la hauteur de hs/b=1,5 (Figure IV-1 d), la topologie de type 2 est atteinte dès la plus grande largeur de bassin (B/b=9), les modifications topologiques induites par la pente et par la largeur de bassin ne peuvent donc pas être analysées. Pour une hauteur de seuil
hs/b=0,5, la zone de transition entre le type 1 et le type 2 (en termes de largeurs de bassins) augmente significativement. À titre d’exemple, la largeur de bassin doit varier de B/b=1 pour qu’un changement de topologie s’opère dans la configuration radier lisse avec s=10% et QA=5,6 (Figure IV-1 a) contre B/b=2 dans la configuration hs/b=0,5 (Figure IV-1 b). Pour cette hauteur particulière de seuil, le débit a une influence significative sur la topologie, par rapport à la configuration radier lisse (Wang et al., 2010).
Quelle que soit la pente, l’augmentation du débit entraine un agrandissement de la zone de transition, particulièrement entre QA=3,8 et QA=4,8 où elle est en moyenne doublée. Cet effet est cependant moins marqué pour les valeurs plus grandes de débit. Pour la hauteur de seuil hs/b=1 (Figure IV-1 c), la taille des zones de transition est équivalente voire même diminuée par rapport à la configuration radier lisse.
Figure IV-2. Cartographies des zones de transition entre la topologie de type 1 et la topologie de type 2 en
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D’autre part, une variation du débit n’entraine pas de changement significatif sur la topologie. L’augmentation de la pente décale le schéma topologique (Type 1 – T – Type 2) vers de plus grandes largeurs. Ce décalage est approximativement du même ordre de grandeur pour les configurations radier lisse et hs/b=0,5 avec B/b=+1 entre s=5% et 12,5%. Dans la configuration
hs/b=1, l’influence de la pente est présente mais dans une moindre mesure.
La figure IV-2 représente les zones de transition entre la topologie de type 1 et la topologie de type 2 sous forme de blocs. Lorsque les limites sont définies (traits pleins), les zones situées en dessus et en dessous des blocs correspondent respectivement à des topologies de type 1 et de type 2. L’insertion d’un seuil modifie la trajectoire du jet sortant de la fente amont en l’orientant vers la paroi opposée à la fente. Cette caractéristique a déjà été observée (Rajaratnam et al., 1986) et est ainsi confirmée par les mesures.
Les résultats présentés ici, permettent d’évaluer l’influence de la hauteur des seuils sur la structure topologique de l’écoulement. Plus cette hauteur est importante et plus la trajectoire du jet s’en trouve modifiée, générant ainsi un écoulement de type 2. La hauteur de seuil hs/b=0,5 entraine un décalage de la topologie de type 2 d’en moyenne B/b=+0,6 vers les plus grandes largeurs pour QA=3,8 tandis que pour hs/b=1 il est de 1,4. Ce décalage n’est pas significativement différent pour les débits plus importants, à part pour la pente la plus faible (s=5%) où l’augmentation du débit peut repousser l’apparition du type 2 vers des largeurs plus faibles que dans la configuration radier lisse. L’insertion d’un seuil favorise également le passage d’une structure de type 1 à une structure de transition. En présence du seuil hs/b=0,5, l’écoulement quitte la topologie de type 1 avec un décalage B/b=+0,84 vers les grandes largeurs, tous débits et toutes pentes confondus. De la même façon, le seuil hs/b=1 entraine un décalage B/b=+1,3. L’insertion des seuils a un impact non négligeable sur la topologie de l’écoulement, en favorisant l’apparition de la topologie de type 2 au détriment de la topologie de type 1.
IV.2 Coefficient de débit
Le coefficient de débit est un paramètre utilisé lors du dimensionnement des passes à poissons à fentes verticales. Il quantifie la perte de charge générée par le passage de l’écoulement dans les bassins et permet de donner une estimation du débit transitant dans l’ouvrage.
Le coefficient de débit Cd a été tracé en fonction du débit, de la pente et de la largeur des bassins pour les 3 hauteurs de seuils (hs/b=0,5 – 1 et 1,5) et pour la configuration radier lisse (Figure IV-3). La topologie de l’écoulement est également notée pour chacun des points mesurés. Les incertitudes, calculées pour chaque coefficient, sont données sous la forme de barre d’erreurs. Toutes configurations confondues, le Cd varie de 0,62 +/-0,03 à 0,89 +/-0,02 avec k=2.
La valeur du coefficient de débit est reportée en fonction du débit pour la configuration B/b=9 et
s= 10% (Figure IV-3 a). En prenant en compte toutes les hauteurs de seuils, la variation moyenne du Cd en fonction du débit est de 1,8% +/- 4,8% avec k=2. Cette variation est du même ordre de grandeur, quelle que soit la largeur des bassins et quelle que soit la pente. Le débit n’a donc pas une influence significative sur le Cd. La décroissance du coefficient de débit en fonction de la pente a déjà été observée et quantifiée (Wang et al., 2010). La même tendance se retrouve ici (Figure IV-3 b) avec une diminution moyenne de 10% +/-2% avec k=2 entre les pentes s=5% et 15%.
L’effet de la pente observée pour B/b=9 et QA=3,8 est représentative de la tendance observée pour les autres débits et les autres largeurs de bassins. La diminution du Cd avec l’augmentation de la largeur des bassins est vérifiée (Figure IV-3 c), et est en accord avec les résultats de Wang
et al. (2010). La variation moyenne (calculée sur tous les cas) du Cd entre B/b=5,67 et 9 est
d’environ -15% pour les configurations radier lisse, hs/b=0,5 et hs/b=1. Elle est cependant négligeable pour la plus grande hauteur de seuil (hs/b=1,5) avec une diminution de 2% +/- 5%.
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Figure IV-3. Evolution du coefficient de débit pour les différentes hauteurs de seuils en fonction : (a) du débit,
(b) de la pente et (c) de la largeur de bassin.
Après avoir étudié l’influence de la pente, du débit et de la largeur des bassins sur le coefficient de débit calculé pour chaque hauteur de seuil, il convient de quantifier l’influence de la hauteur des seuils sur le coefficient de débit.
(a)
(b)
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À topologie identique, plus la hauteur des seuils est grande, plus le coefficient de débit est faible. Lorsque la topologie est de type 1, le coefficient de débit diminue d’en moyenne 11% +/-4% avec k=2 entre la configuration radier lisse et hs/b=1. Elle est en moyenne légèrement moins importante lorsque la topologie est de type 2 avec Cd = - 7% +/-3,5%. En revanche, lorsque la structure de l’écoulement passe d’une topologie de type 1 vers une topologie de type 2, le coefficient de débit tend à augmenter, même si la hauteur des seuils augmente. Ce phénomène est flagrant sur les graphiques a et b de la figure IV-3 avec une variation moyenne Cd = + 14% +/-5,5% entre hs/b=1 (en type 1) et hs/b=2 (en type 2). Les histogrammes du coefficient de débit de la figure IV-4 mettent en évidence l’influence de la topologie sur le Cd. Toutes configurations confondues, le Cd est globalement plus élevé quand la structure de l’écoulement est de type 2. Finalement, la diminution du Cd due à l’augmentation de la hauteur des seuils peut être compensée par un changement de topologie de type 1 vers type 2. À topologie égale, la variation du coefficient de débit due à la variation de hs/b n’est pas influencée de manière significative par l’augmentation de la pente, du débit et de la largeur des bassins.