Academic literature on the topic 'Écoulement géophysique'

Cette note présente les principaux choix techniques réalisés à l'occasion de la rénovation récente de l'une des veines d'essais du tunnel hydrodynamique du Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels de Grenoble. Après une brève description du nouveau circuit hydraulique, le dispositif de supervision des conditions de fonctionnement de l'installation est présenté. Le profil à tester, monté dans la veine d'essais, est piloté en incidence par un moteur brushless permettant de lui communiquer une loi quelconque de variation d'incidence en fonction du temps. Ce dispositif offre une grande flexibilité et ouvre des perspectives nouvelles en matière de recherche sur les écoulements cavitants instationnaires. Un système d'acquisition haute fréquence a été également développé afin d'acquérir en simultané les signaux d'une matrice de capteurs de pression PVDF miniatures équipant le profil d'essais. Ce type de mesure est particulièrement adapté à l'évaluation du potentiel érosif d'un écoulement cavitant. L'acquisition des signaux est synchronisée à l'acquisition d'images par vidéo rapide afin de corréler pressions instationnaires et structures de vapeur et permettre ainsi l'interprétation des signaux de pression.

De par le vaste champ d’applications qu’elle offre, l’étude des écoulements granulaires a connu une expansion considérable au cours de ces vingt dernières années, autant du point de vue industriel que géophysique. Ces écoulements granulaires ont une grande influence dans le monde qui nous entoure. Or, différentes instabilités hydrodynamiques peuvent naitre en leur sein, entrainant alors des changements importants des propriétés mêmes de l’écoulement. Les instabilités dues à la ségrégation par taille de particules, le développement d’ondes de surface ou encore l’apparition de ressauts dans l’écoulement en sont des exemples marquants.

Résumé Malgré le grand nombre de puits et forages d’eau réalisés dans les différentes régions karstiques du Maroc, de nombreux inconnus subsistent encore concernant les critères d’implantation et le coût final des ouvrages. Afin d’optimiser les campagnes de forage à venir, une méthodologie de prospection multicritère a été adoptée dans la région karstique nord‑orientale du Maroc. Elle s’articule selon trois axes, à savoir : 1) détermination des linéaments hydrogéologiques à partir du traitement et interprétation des images satellitaires radar SAR ERS-1 et Landsat ETM+; 2) application de la géophysique électrique par (a) sondages électriques pour la détermination des épaisseurs des niveaux d’altération et de fracturation et par (b) trainées électriques pour la localisation précise de la zone de passage des linéaments hydrogéologiques, et finalement 3) application des techniques de Sondage par Résonance Magnétique (SRM) pour la vérification de la présence d’eau. Les différents résultats de sondages mécaniques réalisés à la suite de cette campagne de prospection montrent un taux de réussite très satisfaisant.

Cette thèse traite de la pollution par les solvants chlorés des nappes alluviales. Les solvants chlorés ont des caractéristiques physico-chimiques qui rendent leur devenir dans l'environnement compliqué. Deux sites industriels en activité avec un problème de pollution de ce type ont été traités avec une approche multidisciplinaire. Cette approche peut être résumée en quatre point : I) une synthèse des informations et des études disponibles au commencement de la thèse ; II) une analyse détaillée de la variation spatiale et temporelle des solvants chlorés dans les zones étudiées ; III) des études et des travaux menés pour caractériser le fonctionnement du système aquifère et le devenir de la pollution, en particulier, les études in situ de l'écoulement par multitraçage et des études in situ et en laboratoire de la biodégradation des solvants et de son éventuelle stimulation par des adjuvants appropriés ; IV) des propositions pour des analyses et des actions complémentaires. Cette approche a permis de définir, pour chacun des sites, un modèle conceptuel du fonctionnement environnemental (physique et biologique) plus détaillé que celui existant et de faire une première quantification des processus qui règlent le devenir des COHV dissous dans l'espace et le temps. Nos résultats indiquent que dans ces deux sites, la stimulation de l'activité de biodégradation des solvants, présente naturellement dans le milieu, pourrait être une méthode efficace pour la remédiation de la pollution par les solvants chlorés dissous. Cette thèse montre la nécessité d’une approche multidisciplinaire pour la planification d'une méthode adéquate de traitement d'une pollution de ce type
This thesis focused on pollution by chlorinated solvents of alluvial systems. Chlorinated solvents have physicochemical characteristics that make their environmental evolution complicated. Two industrial sites, sill in activity, with a chlorinated solvents pollution problem are treated with a multidisciplinary approach. This approach can be summarized in four points : I) a summary of information and studies available at the beginning of the thesis ; II) a detailed analysis of the spatial and temporal variation of concentrations in the studied area ; III) further studies and works to better characterize the functioning of the aquifer system and pollution, in particular, in situ groundwater flow studies (multitracer) and field-laboratory studies of biodegradation of solvents and its possible stimulation by appropriate compounds ; IV) proposals for analysis and further action. This approach help us to define, for each site, a more detailed conceptual model of environmental (physical and biological) functioning and to make a first quantification of the processes that regulate the dissolved COHV becoming in space and time. Our results indicate that, in these two sites, the stimulation of the biodegradation activity of solvents, naturally occurring, could be an effective method for remediation of pollutions. This thesis demonstrates the need for a multidisciplinary approach to planning an appropriate method of treatment of such pollution

Les dômes métamorphiques extensifs associés à des détachements résultent de l'extension des domaines continentaux épaissis et thermiquement relaxés. La modélisation numérique et analogique montre que les dômes se forment en deux étapes : la striction de la croûte supérieure fragile et l'amplification du dôme, accommodée par un fluage de la croûte ductile. Contrairement à ce qui est généralement admis, les détachements ne s'initient pas au début de l'extension, mais résultent d'une évolution progressive de la déformation. Le style de déformation du domaine égéen est analysé à partir du calcul de l'épaisseur crustale en gravimétrie. Les variations d'épaisseur crustale résultent d'un processus d'extension en deux étapes. A l'Oligo-Miocène, l'effondrement gravitaire conduit à un amincissement crustal de 100% et à la formation des dômes. Au Pliocène, l'extrusion de l'Anatolie modifie la cinématique extensive avec des zones de déformation plus localisées.

Nous nous intéressons à la modélisation et à la simulation numérique d'écoulements gravitaires transitoires à surface libre, pour des fluides visqueux et incompressibles. La loi de comportement est de type viscoplastique avec transition fluide/solide. Plus précisément, nous considérons la loi rhéologique de Drucker--Prager. Nous nous intéressons tout d'abord le cas unidimensionnel d'un écoulement longitudinal cisaillé. Nous étudions un modèle simplifié, avec terme source empirique, pour lequel nous concevons une méthode numérique pour le suivi de la position de l'interface entre la couche solide et la couche fluide. Nous présentons des résultats numériques, avec divers termes sources, et nous comparons ces résultats, lorsque la viscosité est petite, à la solution analytique non visqueuse. Dans le cas visqueux, nous étudions les phases de démarrage et d'arrêt de l'écoulement. Dans un second temps, nous étudions le cas bidimensionnel d'écoulement de Drucker--Prager avec surface libre. La loi de comportement du fluide est traitée par régularisation, et nous utilisons la méthode ALE pour traiter le mouvement du domaine. Nous présentons des résultats numériques pour l'étude de la mise en mouvement d'un talus.

Dans cette thèse, on s'est intéressé à la dynamique des poches de tourbillon pour des équations issues de la mécanique des fluides posées dans le plan. La thèse est composée de trois partie indépendantes. Un des objectifs est d'établir l'existence des tourbillons uniformément concentrés et rigides, c’est-à-dire, qui ne se déforment pas lors de l'évolution. Nous analysons deux configurations liées à la nature topologique du support: poches simplement et doublement connexes. Nos solutions sont obtenues via des techniques de bifurcations et d'analyse complexe. Le deuxième objectif est d'obtenir des précisions sur la structure globale du diagramme de bifurcation et sa réponse vis-à-vis des petites perturbations dans le modèle. Plus précisément, dans le deuxième chapitre on prouve l'existence de V-states doublement connexes dans un voisinage de l'anneau pour le modèle des surfaces quasi-géostrophique. On montre que l'on peut construire des branches de solutions qui sont des anneaux perturbés pour certaines valeurs explicites de vitesses angulaires qui sont liées aux fonctions hypergéométriques de Gauss et aux fonctions de Bessel. Le troisième chapitre porte sur l'étude de la structure du diagramme de bifurcation dans le cas doublement connexes pour l'équation d'Euler. Numériquement, près d'un cas dégénéré, les deux branches issues des deux vitesses angulaires possibles semblaient se rejoindre pour former un lacet. Nous avons prouvé analytiquement ce résultat. Le quatrième chapitre porte sur le modèle shallow water quasi-géostrophique. Dans une première partie, on prouve l'existence de V-states simplement connexes dans un voisinage du tourbillon de Rankine pour un nombre dénombrable de vitesses angulaires liées aux fonctions de Bessel modifiées. La deuxième partie porte sur la réponse du diagramme de bifurcation lorsque l'on fait varier un paramètre du modèle. On montre en particulier qu'une singularité présente lors d'un cas limite est éclatée. Notre étude analytique a été complétée par des simulations numériques portant sur les V-states limites pour les symétries deux et trois
In this dissertation, we are concerned with the vortex dynamics for some equations arising in fluid mechanics. We distinguish three independent parts. One of the objectives is to prove the existence of uniformly concentrated rigid vortices, they do not change their shapes during the motion. We examine two configurations related to the topological nature of the support: simply and doubly connected vortex patches. Our solutions are obtained using bifurcation arguments and complex analysis tools. The second objective is to obtain some precisions on the global structure of the bifurcation diagram and its response to small perturbations. More precisely, in the second chapter we prove the existence of doubly connected V-states in a neighborhood of the annulus for the surface quasi-geostrophic model. We check that we can construct some branches of solutions which are perturbated annulus at some angular velocities related to hypergeometric Gauss functions and Bessel functions. The goal of the third chapter is to study the structure of the bifurcation diagram in the doubly connected case for Euler equations. Numerically, close to a degenerate case, the two branches of solutions come from the two angular velocities seems to merge to form a loop. We prove analytically this result. In the last chapter, we focus on the shallow quasi-geostrophic model. In the first part, we prove the existence of the simply V-states in a neighborhood of the Rankine Vortices for a countable number of angular velocities related to modified Bessel functions. In the second part, we study the reaction of the diagram bifurcation for small perturbations of the parameter. In particular, we prove that some singularities are broken due to a resonance phenomenon. Our analytical study is completed by numerical simulations on the limiting V-states for the two and three fold symetries

Cette thèse est une application de la mécanique statistique pour des fluides quasi-bidimensionnels à l'étude de l'organisation turbulente des flots géophysiques. Dans la première partie, nous analysons les états d'équilibre du modèle Quasi-Géostrophique et du modèle Shallow-Water, dans la limite des faibles rayons de déformation de Rossby. Nous développons alors une analogie thermodynamique, dans laquelle ces structures stationnaires sont interprétées comme la coexistence de deux phases, séparée par une interface dont la forme est régie par un problème de longueur minimale. Si nous tenons compte, en outre, du mouvement du fluide profond, le flot possède toutes les caractéristiques qualitatives des structures de Jupiter. En particulier, nous proposons un modèle quantitatif de la tache rouge, le premier permettant la compréhension de la formation et de la stabilité de cette structure, dans un flot turbulent; tout en étant en accord de façon précise avec les données d'observation. La seconde partie est consacrée à la thermodynamique hors équilibre. Nous y étudions, pour les fluides bidimensionnels, la validité et l'intérêt d'une paramétrisation des échelles turbulentes, grâce à l'utilisation d'un principe de production maximal d'entropie. Une analyse empirique, basée sur des calculs numériques, permet de montrer que le flux turbulent est anisotrope. Cette observation est en désaccord avec les applications précédentes du principe de production maximale d'entropie. Nous en proposons une généralisation. L'utilisation des équations ainsi obtenues, permet une précision accrue pour la prédiction de l'évolution du flot, en comparaison avec les paramétrisations classiquement utilisées. Nous proposons le terme de saturation statistique, liée à la coalescence de tourbillons, pour d'écrire et expliquer ce gain important. Nous donnons des arguments précisant l'intérêt de cette amélioration, pour la prédiction météorologique et pour les modèles climatiques.

Une instabilité typiquement agéostrophique est l'instabilité inertielle. Pour le modèle de l'eau peu profonde en rotation (StV) à deux couches, comme pour les équations primitives, en étudiant la stabilité linéaire de jets barotropes zonaux à fort nombre de Rossby, dans le plan f, nous montrons que cette instabilité, due à l'existence de modes piégés autour de l'écoulement, est en fait la limite, pour des perturbations au nombre d'onde nul le long de l'écoulement, de l'instabilité barocline classique, pourtant due à la résonance d'ondes. Cette instabilité domine même l'instabilité barotrope, pour un écoulement suffisamment agéostrophique. La saturation non linéaire de ces instabilités est ensuite étudiée dans les modèles StV et, pour un écoulement plus réaliste, en utilisant le modèle mesoéchelle "Weather Research and Forecasting". La saturation est notamment associée à une homogénéisation de la région instable et à l'émission spontanée d'ondes internes d'inerties-gravités. Mais des différences entre les deux instabilités existent également. Par exemple, la production, pour l'instabilité inertielle, d'instabilités de petite échelle, type Kelvin-Helmholtz. Les écoulements présentant des fronts sont sujets à des instabilités agéostrophiques spécifiques. Dans le modèle StV à deux couches, nous avons étudié la stabilité d'un courant surfacique de densité. Les instabilités barotropes et baroclines (ainsi que leurs développements non linéaires) dues aux résonances entre les ondes frontales, de Rossby, topographiques et de gravités présentes dans l'écoulement ont été analysées et quantifiées. Bien qu'à grande profondeur l'instabilité dominante soit la résonance barotrope entre deux ondes frontales, à faible profondeur, à grande longueur d'onde, c'est la résonance barocline entre une onde frontale et une onde de Rossby qui domine. Quoique non dominante, la résonance barocline entre une onde frontale et une onde topographique a aussi été observée. Finalement, l'ajustement agéostrophique de structures dipolaires a été étudié. Notamment la déstabilisation de structures agéostrophiques initialement équilibrées, ainsi que la formation qui en suit de structures dipolaires agéostrophiques quasi-stationnaires
Due to the existence of trapped mode at the anticyclonic shear, inertial instability is a typical ageostrophic instability. In the linear stability of a barotropic zonal jet, at high Rossby number, in the two-layer rotating shallow water (RSW) model as in the continuous stratification one, we show that the inertial instability turns out to be the limiting case, for infinitely along jet wavelength, of the classic baroclinic instability, due to waves resonance. For flows ageostrophic enough, this instability dominates over the barotropic one. In the two-layer RSW finite volume high resolution numerical scheme, as in the "Weather Research and Forecasting" model (for more realistic jet), the nonlinear evolution of these instabilities is shown to be associated with a homogenization process within the region of instability and spontaneous emission of internal inertia-gravity waves. Inertial instability is also associate with the production of small scale Kelvin-Helmholtz type instabilities. Coupled density fronts present specific ageostrophic instabilities, as we found from the stability analysis of the two-layer RSW model. We studied barotropic and baroclinic instabilities due to resonances of the frontal, Rossby, topographic and gravity waves, as well as the corresponding nonlinear effects. A swap in the leading long-wave instability from the barotropic resonance of two frontal waves, to the baroclinic resonance of Rossby and frontal waves, takes place with decreasing depth. We also found the baroclinic resonance of frontal and topographic waves. We finally studied the ageostrophic adjustment, focusing on dipolar perturbation, by direct numerical simulations of the one-layer RSW model. The associate instabilities of geostrophically balanced motions and the formation of agestrophic quasi-stationary dipoles are also studied

La these est constituee de quatre parties independantes : la premiere partie etudie un modele oceanique, constitue des equations shallow-water a deux couches et demie. La dynamique double gyre d'un bassin rectangulaire est decrite en fonction des parametres physiques. Les differentes branches d'attracteurs sont etudiees. La deuxieme partie propose une nouvelle methode elements finis permettant de resoudre des edps vectorielles sur la sphere. Le probleme des poles est resolu en utilisant un double systeme de coordonnees locales et en perturbant la base d'elements finis de maniere ad-hoc. La resolution numerique de l'operateur de laplace-beltrami vectoriel confirme les estimations theoriques donnees. Des ecoulements de navier-stokes sur la sphere sont simules numeriquement. La troisieme partie aborde la simulation d'odes rapidement oscillantes. A partir d'un developpement asymptotique, on construit un systeme d'odes renormalise. Ces equations approximent, apres un filtrage lineaire, la dynamique lente des equations de depart. Des estimations sont donnees sur l'erreur entre la solution de depart et la solution renormalisee. La derniere partie propose une technique ameliorant la stabilite lineaire de schemas explicites en temps. L'idee est de decomposer l'inconnue en petites et grandes structures, puis d'utiliser un schema en temps explicite et inconditionnellement stable pour les petites structures. Cette idee a deja ete appliquee avec succes dans le cadre des methodes spectrales. L'objectif est de transposer ces techniques au cas des elements finis.

Dans de nombreux réservoirs géothermiques profonds, l'échangeur thermique est un massif de roches chaudes fracturées. Comment la morphologie des fractures influence-t-elle le flux hydraulique et le champ de température lorsque de l'eau froide est injectée dans ce milieu ? Cette question est abordée à l'échelle de la fracture, de manière numérique, à l'aide de deux méthodes : par différences finies, en 2D, et par méthode de Boltzmann sur réseau, en 3D. Les calculs en différences finies montrent qu'une ouverture auto-affine induit une variabilité spatiale du flux hydraulique et du champ de température. Dans certains cas, il se crée une chenalisation du fluide, qui réduit l'efficacité du transfert thermique entre la roche et le fluide. Ces caractéristiques hydro-thermiques sont essentiellement engendrées par les plus grandes longueurs d'ondes de ces ouvertures auto-affines. Une première application à grande échelle, dimensionnée suivant les caractéristiques du site géothermique de Soultz-sous-Forêts (Alsace, France), est proposée. Une deuxième application consiste à évaluer la perméabilité du sous-sol de Draix (Alpes, France). Pour cela, la géométrie de fractures présentes dans le sous-sol est caractérisée précisément à partir de carottes géologiques. La topographie des fractures, mesurée avec un laser, est utilisée pour reconstituer la morphologie de l'ouverture des fractures. Ces données sont utilisées pour quantifier la perméabilité, ici élevée -- de l'ordre de 10^-9-10^-8 m^2. À l'aide de méthodes de Boltzmann sur réseau, la modélisation du comportement hydro-thermique dans des fractures présentant une topographie avec de fortes pentes est abordée. Au voisinage d'une aspérité de forme simple, le comportement hydro-thermique modélisé est très différent (recirculation) de celui dans le reste de la fracture. L'ensemble de ces modélisations suggère qu'il est nécessaire de prendre en compte la morphologie des fractures pour estimer le comportement hydro-thermique en géothermie.

L’urbanisation croissante engendre une pression anthropique accrue sur les sols et les ressources en eau souterraine. La préservation durable de ces milieux requiert une meilleure compréhension des flux d’écoulement dans la zone non-saturée, prenant en compte les hétérogénéités du sous-sol, notamment naturelles, à l’échelle de l’ouvrage urbain. Cette étude vise à caractériser à cette échelle les hétérogénéités sédimentaires et hydrodynamiques du dépôt fluvioglaciaire de l’Est lyonnais, afin d’évaluer l’influence de ces hétérogénéités sur l’écoulement en zone non-saturée. Par une approche hydrogéophysique, couplant une caractérisation sédimentologique des structures et textures sédimentaires, une investigation géophysique par radar géologique et panneau électrique, et une caractérisation des propriétés hydrodynamiques, un modèle hydrostratigraphique tridimensionnel du dépôt fluvioglaciaire a été défini au niveau d’une parcelle élémentaire d’un bassin d’infiltration d’eaux pluviales. Ce modèle traduit l’hétérogénéité sédimentaire et hydrodynamique à l’échelle de l’hydrofaciès. Des mesures de teneurs en eau à trois profondeurs dans le dépôt, couplée à une modélisation numérique des écoulements non-saturés à partir du modèle hydrostratigraphique, a permis d’évaluer le comportement hydrodynamique du dépôt fluvioglaciaire lors d’une phase d’infiltration. Les résultats montrent l’influence de la saturation initiale du dépôt sur les écoulements dans la zone non-saturée. L’hétérogénéité de l’écoulement est notamment associée à la présence de chemins préférentiels. L’approche hydrogéophysique utilisée est prometteuse pour la caractérisation hydrostratigraphique de dépôts sédimentaires hétérogènes
The increasing urbanization gene rates an anthropogenic pressure on subsoil and water resources. Their sustainable management require a better understanding of water flows in the vadose zone, taking into account their heterogeneities, in particular natural, at the local scale This study aims at characterizing at this scale the sedimentary and hydraulic heterogeneities of the glaciofluvial deposit located east of Lyon in order to evaluate the influence of these heterogeneities on the unsaturated flows. By a hydrogeophysical approach, relying on a sedimentological characterization of the sedimentary structures and textures, a geophysical investigation using ground-penetrating radar and electrical resistivity, and a characterization of the hydraulic properties, a three-dimensional hydrostratigraphic model of the glaciofluvi deposit was defined on a reduced zone of a stormwater infiltration basin. This model shows the sedimentary and hydraulic heterogeneities the hydrofacies scale. Measurements of water contents at three depths in the glaciofluvial deposit, coup led to a numerical modeling of the unsaturated flow from the hydrostratigraphic model, allowed to evaluate the hydraulic behavior of the glaciofluvial deposit du ring an infiltration. The results show the influence of the initial saturation of the deposit on the unsaturated flows. Heterogeneous flows are linked to preferential flow paths. The hydrogeophysical approach followed in this study is promising for the hydrostratigraphic characterization of heterogeneous sedimentary deposits

Le stock d’eau, ses variations temporelles et leurs répartitions spatiales, sont des grandes inconnues du cycle hydrologique d’Afrique de l’Ouest. Les trois principaux types de gravimètres actuels (un gravimètre relatif supraconducteur –SG–, un microgravimètre relatif –CG5–, et un gravimètre absolu –FG5–) ont été déployés sur un bassin versant élémentaire de l’observatoire AMMA-CATCH de l’Ouémé supérieur (Bénin), représentatif d’un milieu cultivé de la zone soudanienne. Conjointement, un important dispositif de suivi hydrologique (piézométrie, sonde à neutrons) a été mis en place, ainsi que des mesures de géophysique de proche surface (mesures électriques, électromagnétiques et résonance magnétique des protons –RMP–) pour la caractérisation des aquifères. Ces travaux font état des apports de la gravimétrie pour 1) la détermination de la porosité de drainage en zone de socle hétérogène, 2) le suivi des variations de stock d’eau intégrées à l’échelle d’appréhension des gravimètres (parcelle de 100m de côté) et 3) l’identification de processus hydrologiques liés à la redistribution interne au sein du bassin versant et à la genèse des écoulements
Water storage, together with its temporal and spatial variations, are major unknowns of the West African hydrological cycle. The three main gravimeter types (a relative superconducting gravimeter –SG–, a relative microgravimeter –CG5–, and an absolute gravimeter –FG5–) have been set up on an elementary catchment of the Upper Ouémé (Benin) AMMA-CATCH observatory, considered as a typical cultivated environment of the Sudanian area. Hydrological monitoring (water table, neutron probe) and near surface geophysics (electrical, electromagnetic, magnetic resonance soundings –MRS–) have been developed jointly, for aquifer characterization. This work states on the inputs provided by gravimetry on 1) specific yield determination in heterogeneous basement area, 2) the monitoring of water storage changes at the gravity measurements scale (100m square plot) and 3) hydrological processes identification, linked to internal catchment redistribution and streamflow generation