Le canal à houle permet d’étudier la physique des vagues, de modéliser les ondes à la surface et à l’intérieur des océans, le transport sédimentaire dans un écoulement oscillant, la dynamique des plages et l’érosion côtière.
Le canal à houle du LEGI est un canal avec parois latérales en verre mesurant 36 m de long, 1.3 m de profondeur et 0.55 m de largeur. Il est équipé à l’une de ses extrémités d’un batteur piston, déplacé par un vérin hydraulique, permettant d’engendrer des ondes solitaires, des vagues régulières ou aléatoires en fréquence et en amplitude. A son autre extrémité peut être installé un mur vertical réfléchissant les ondes, une plage de sédiment, ou un autre batteur (de type piston ou volet) pour produire des ondes ou les amortir.
Recherches actuelles
Nos recherches portent sur la dynamique de la houle, en particulier sur fond horizontal et en eau peu profonde, afin d’acquérir une connaissance approfondie des échanges d’énergie entre les composantes fréquentielles qui la constituent.
Nous observons notamment la formation de solitons ou ondes solitaires, qui sont des vagues qui se propagent sans se déformer lorsque qu’ils n’interagissent pas avec d’autres vagues. L’interaction de deux solitons est non-linéaire, c’est-à-dire que la superposition de deux solitons n’est pas simplement la somme des élévations de chacun d’eux.
Moyens techniques
L’instrumentation associée au canal à houle comporte :
• des sondes capacitives de mesure de niveau d’eau (conception Sogréah-Artelia)
• un capteur laser pour mesurer la topographie de plage
• des vélocimètres acoustiques (profileur développé au laboratoire, sondes et profileur Nortek)
• des sondes optiques pour évaluer la concentration en sédiment
• des capteurs de pression
• de l’imagerie rapide.
Certains outils d’analyse des expériences sont développés au laboratoire.
Caméras rapides
L’observation des conditions de vagues spécifiques, tels les interactions de solitons, requiert une instrumentation permettant des mesures à la fois spatiales et à résolution temporelle. Pour ce faire, nous avons opté pour des caméras dotées d’un champ de vision particulièrement grand, afin d’enregistrer le profil des vagues sur une longueur maximale (système R&D Vision).
Nous utilisons ainsi une application multi-caméras composée de huit caméras synchronisées IDS USB 3 UI-3060CP Rev. 2. Pourvues d’une résolution horizontale millimétrique, chacune de ces caméras observe une section de 2 m de long à travers les parois latérales vitrées. Cette configuration permet de visualiser la partie centrale du canal sur une longueur totale de 16 mètres.
Une fois les images acquises, nous cherchons à extraire le trait de contact de l’eau sur les parois latérales pour reconstituer l’élévation de l’eau sur une longueur de 16 mètres. Grâce à la caméra rapide, nous obtenons une très haute résolution verticale de l’élévation de l’eau, de moins de 100 microns, ce qui garantit une très grande précision de mesure. Le taux de fréquence d’images très élevé des caméras permet l’enregistrement de la dynamique temporelle des vagues.
Cette technique de mesure a permis de caractériser des situations où les effets non-linéaires sont dominants, états appelés « gaz de solitons », prédits théoriquement et observé expérimentalement uniquement en optique jusque-là.
Recherches antérieures réalisées dans le canal à houle
Entre 2001 et 2105, le canal à houle a permis d’étudier la morphodynamique des plages de sédiments sableux et l’hydrodynamique de la zone affectée par le déferlement en eau peu profonde. Des études ont été menées sur la caractérisation de la couche limite de fond et du transport associé, sur la liquéfaction du substrat sédimentaire dans l’interaction des vagues avec une paroi verticale qui modélise une structure côtière.
© Florent Grasso/LEGI/UJF
En mécanique des fluides, les modèles physiques de laboratoire sont rarement à l’échelle 1. L’échelle de longueur considérée était de l’ordre de 1/9 (une vague de 20 cm de haut représente 1.8 m en nature par exemple), l’échelle de temps de1/3 (par similitude de Froude). Afin de reproduire un transport sédimentaire en similitude avec le milieu naturel, le sable a été remplacé par des particules de plastique de densité 1.2 et de 0.6 mm de diamètre. Ce choix a été fait de manière à conserver les nombres adimensionnels de Shields et de Rouse, caractéristiques du transport par charriage et en suspension.
© F. Grasso/Iris/INP
Accueil des publics lors d’évènements de médiation scientifique
Nous menons au sein du LEGI de nombreuses recherches scientifiques que nous souhaitons partager avec le plus grand nombre, à l’occasion de visites organisées au sein de notre laboratoire ou lors de la présentation de nos grands équipements.
A cet égard, nous participons activement chaque année à La Fête de la science, évènement de médiation scientifique durant lequel nous accueillons de nombreuses classes de scolaires venues découvrir le Canal à houle.
Lors de ces visites, nous invitons les participants à observer certaines caractéristiques des ondes (courtes et longues) à la surface d’un fluide, leur vitesse de phase (à laquelle se propage les crêtes de vague) et vitesse de groupe (à laquelle se propage l’énergie), les mouvements des particules fluides dans la colonne d’eau et au fond, et ainsi découvrir quelques principes fondamentaux de la physique des ondes. Ils peuvent aussi comprendre comment se forment certains phénomènes aux conséquences dévastatrices comme les tsunamis, responsables de grandes catastrophes sur le littoral ou comme les vagues scélérates, causant encore aujourd’hui de nombreux naufrages. Ils peuvent ainsi mieux apprécier l’intérêt de poursuivre des recherches pour étudier les effets non-linéaires en physique, améliorer les outils de prédiction des états de mer, alerter sur les effets du changement climatique.
En savoir plus :
Quand les vagues font de la physique : le canal à houle !
Le site de la Fête de la science