Les études des courants gravitaires se poursuivent notamment en incluant l’influence de la topographie complexe qui crée une forte interaction entre la couche limite et la couche cisaillée.
It has been demonstrated that different flow regimes can install as a function of the initial conditions at slope changes for gravity currents in spatial development that are very different from the generally assumed self-similar regime in ocean circulation models (Martin et al 2019, JFM).
Les résultats sur les caractéristiques de la turbulence et les propriétés de mélange, ces dernières exprimées en termes de longueurs de mélange et de viscosité turbulente, ont également été déterminés, mettant en évidence leur dépendance à la topographie. Ces caractéristiques du flux moyen et du mélange ont été comparées aux mesures de terrain dans les vents katabatiques (Charrondière et al. 2022). Fait intéressant, les longueurs de mélange sans dimension et la viscosité turbulente se comparent bien malgré la différence de structure du courant moyen et une différence de deux ordres de magnitude dans le nombre de Reynolds (Maggi et al. 2023).
Dans le cadre d’une collaboration avec l’EPFL (Suisse) et la TU de Vienne (TUW, Autriche), le panache fluvial tridimensionnel plongeant dans un environnement non confiné, modèle du Rhône se jetant dans le lac Léman, a été étudié par le biais d’expériences de laboratoire à grande échelle, de simulations numériques et de données observationnelles. Les résultats mettent en évidence, pour la première fois dans la littérature, des motifs complexes de courants secondaires et une zone de faible vitesse due à la séparation du courant dans le panache. Le nombre de Froude densimétrique à l’entrée du lac et la pente se sont révélés être les principaux paramètres de contrôle pour l’intrusion non confiné. Il a également été découvert que, contrairement à l’intrusion confinée, où le nombre de Froude densimétrique est une constante proche de 0,5, il augmente avec l’augmentation du nombre de Froude en entrée et peut même être bien supérieur à l’unité dans le cas d’un panache non confiné, avec des conséquences importantes sur la dynamique du flux. Par exemple, les taux d’entrainement sont dix fois plus élevés par rapport aux configurations de panache confiné (Shi et al. 2022, Shi et al. 2024). Un projet de suivi incluant l’interaction avec les sédiments du fond et les sédiments en suspension est en cours (ANR PRCI HARP, 2023-26).
L’approche théorique shallow water pour les courants gravitaires a été étendue (Martin et al. 2020), incluant également les termes d’entrainement et de friction du fond (Zemach et al. 2019), en collaboration avec M. Ungarish et T. Zemach (IIT Haïfa, Israël). L’interaction du courant gravitaire avec la couche limite et la rugosité renforcée du fond sous forme d’éléments fixes (Maggi et al. 2022) et mobiles (sédiments) (Maggi et al. 2024) a également été abordée. Le modèle de suspension des sédiments développé pour déterminer l’évolution spatiale de la suspension des sédiments jusqu’à la capacité maximale de suspension est capable de prédire avec précision les données expérimentales. Concernant les formes de fond, les critères d’échelle près du fond suggèrent que les courants gravitaires développent des ripples pour une large gamme du nombre de Yalin et suggèrent que la transition vers la formation de dunes typique des rivières peut ne jamais se produire pour les courants gravitaires en raison de la turbulence renforcée typique de ces courantes denses (Maggi et al. 2024). Ce modèle a été étendu aussi aux couche limites d’Ekman dans le cas d’un écoulement stratifié d’échange avec rotation (Maggi et al 2024) avec des expériences dans la Plateforme Coriolis.
Figure 1 : A gauche, profiles de vitesse et densité compares aux mesures in situ des vents catabatiques (Charrondière et al 2022), ainsi que viscosité turbulente et longueurs de mélange non dimensionnalisé en fonction de la longueur de cisaillement Ls (Maggi et al 2023). A droite comparaison de la structure du panache obtenue avec les expériences à Coriolis, avec les simulations numériques et les observations (Shi et al 2022).
Figure 2 : A gauche, anomalies d’élévation du lit sédimentaire pour deux expériences et évolution temporelle normalisée de l’amplitude de la forme du lit moyennée dans l’espace ∆ par rapport à la croissance théorique (ligne pointillée) donnée par le modèle théorique. A droite, longueur d’onde sans dimension vs le nombre de Yalin. Les symboles gris représentent les données dans des écoulements a surface libre homogènes (Lapotre et al. (2017)), tandis que les symboles orange représentent les données de courants gravitaires. La ligne en pointillé représente la loi d’échelle proposé par Lapotre et al. (2017) tandis que la ligne continue celle adaptée aux courants gravitaires proposé par Maggi et al. (2024).
Références :
1. Martin, A., Negretti, M. - E., & Hopfinger, E. J. (2019). Development of gravity currents on slopes under different interfacial instability conditions. Journal of Fluid Mechanics, 880, 180–208.
2. Zemach, T., Ungarish, M., Martin, A., & Negretti, M. - E. (2019). On gravity currents of fixed volume that encounter a down-slope or up-slope bottom. Physics of Fluids, 31(9), 096604.
3. Martin, A., Negretti, M. - E., Ungarish, M., & Zemach, T. (2020). Propagation of a continuously supplied gravity current head down bottom slopes. Physical Review Fluids, 5(5).
4. De Falco, M. C., Adduce, C., Negretti, M. - E., & Hopfinger, E. J. (2021). On the dynamics of quasi-steady gravity currents flowing up a slope. Advances in Water Resources, 147, 103791.
5. Shi, H., Negretti, M. - E., Chauchat, J., Barry, D. A., Blanckaert, K., & Lemmin, U. (2022). Unconfined Plunging of a Hyperpycnal River Plume Over a Sloping Bed and Its Lateral Spreading : Laboratory Experiments and Numerical Modeling. Water Resources Research, 58.
6. Maggi, M. R., Adduce, C., & Negretti, M. - E. (2022). Lock-release gravity currents propagating over roughness elements. Environmental Fluid Mechanics, Special issue.
7. Maggi, M. R., Negretti, M. - E., Hopfinger, E. J., & Adduce, C. (2023). Turbulence characteristics and mixing properties of gravity currents over complex topography. Physics of Fluids, 35(1).
8. Maggi, M. R., Negretti, M. - E., Martin, A., Naaim-Bouvet, F., & Hopfinger, E. J. (2024). Experimental study of gravity currents moving over a sediment bed : suspension criterion and bed forms. Environmental Fluid Mechanics
9. Maggi, M. R., Hopfinger, E. J., Sommeria J. Viboud, S. Valran, T. and Negretti, M. – E. (2025). Laboratory experiments of rotating stratified exchange flows over a sediment bed. Adwances in Water resources, under review.
