Vendredi 15/03/2019: Défense de thèse de Madame Maurine LODOMEZ « Experimental Study of Nappe Oscillations on Free Overfall Structures»

15/03/2019

Nous avons le plaisir de vous convier à la défense de thèse de Madame Maurine Lodomez, qui se déroulera le vendredi 15 mars à 9h30 (local TP40, nouvelle annexe du B52). Cette thèse a pour objectif d’étudier expérimentalement l’apparition et le développement des oscillations de nappes observée sur des ouvrages à surface libre. Elle a été réalisée sous la direction du Dr. Sébastien Erpicum et du prof. Benjamin Dewals.

Vidéo illustrant le phénomène étudié : https://edc.ulg.ac.be/merci/Mdia1_751bc06bd38b1aea2c7c_.MOV

 

Résumé de la thèse

Les ouvrages de déversement à surface libre tels que les seuils et les vannes sont couramment employés dans le domaine de l’irrigation, du traitement des eaux et de la sûreté des barrages afin de contrôler les débits évacués. Le jet généré par la chute libre de l’eau en aval de ces structures est appelé nappe. Cette nappe est sujette à divers comportements et instabilités dont le phénomène d’oscillations, également appelées vibrations, qui apparait dans une gamme de faibles charges amont/faibles débits. Le phénomène est caractérisé par des oscillations de la nappe déversante qui génèrent des nuisances sonores importantes. Ces nuisances affectent l’impact environnemental et sociétal de la structure hydraulique.

 

Compte tenu du peu d’informations quantitatives disponibles dans la littérature et de la compréhension incomplète des processus sous-jacents à l’apparition et au développement des oscillations de nappe, l’objectif principal de cette thèse de doctorat était d’améliorer la connaissance générale du phénomène. A cette fin, la modélisation physique a été considérée comme la meilleure technique d’analyse.

 

Dans un premier temps, un modèle à taille réelle d’un déversoir linéaire a été spécifiquement conçu et réalisé en vue de tester divers paramètres géométriques tels que la hauteur de chute, la largeur de seuil, la forme de la crête ou encore le confinement de la nappe. Ensuite, deux méthodes originales de caractérisations des oscillations de la nappe ont été développées. Elles sont basées sur les caractéristiques auditives et visuelles spécifiques du phénomène. L’application de ces méthodes a permis de déterminer l’occurrence et le développement du phénomène ainsi que les fréquences associées. Ces méthodes ont systématiquement été appliquées au travers de 52 configurations du déversoir pour évaluer l’influence de divers paramètres hydrauliques et géométriques.

 

Dans un deuxième temps, au vu de l’importance accordée à l’exploitation de modèles réduits pour la conception de structures hydrauliques, les effets d’échelle qui pourraient affecter le phénomène des oscillations de nappe ont été appréhendés par l’exploitation d’un modèle réduit au 1/ 3 e du modèle à taille réelle mentionné plus haut. Cette analyse a montré que les oscillations ne peuvent être mises à l’échelle selon la loi de similitude traditionnelle en écoulement de surface (similitude de Froude) mais, au contraire, se produisent toujours dans la même plage de débits spécifiques. Il apparait néanmoins que, sur un ouvrage de petite taille, le phénomène présente un hystérésis et est moins stable temporellement.

 

En troisième lieu, les données récoltées sur 52 configurations de seuil et l’expertise acquise au fil de nombreuses heures d’observation et d’analyse du phénomène ont permis de définir des conditions nécessaires à l’apparition des oscillations de nappe. Complétées par des critères relatifs à la hauteur de chute et à la largeur du seuil, ces conditions bien que non suffisantes, permettent de prédire l’occurrence du phénomène dans de nombreux cas.

 

Finalement, des contre-mesures originales ont été développées avec l’aide d'ingénieurs et entrepreneurs. Définies en vue de satisfaire des critères de constructibilité, durabilité et maintenance, ces solutions ont été testées et optimisées en terme de réduction des nuisances sonores tout en préservant l’efficacité hydraulique de la structure.

 

A côté de ces travaux expérimentaux, des mesures in situ sur deux barrages belges ont prouvé l’applicabilité et la robustesse des méthodes de caractérisation développées dans le cadre de cette thèse ainsi que l’utilité des résultats obtenus pour résoudre des problèmes réels.

 

PhD abstract

Free overfall structures such as weirs and crest gates are commonly used as control structures for a variety of applications including irrigation, water treatment and dam safety. The gravity-driven free-falling jet on the downstream side of these structures, called the nappe, may display a variety of behaviors and instabilities among which, under relatively low heads/discharges, nappe oscillations, also known as nappe vibrations. This oscillating phenomenon is characterized by oscillations of the thin flow nappe cascading downstream of the crest and results in a significant disturbing noise production that increases negatively the environmental and societal impacts of the hydraulic structure.

 

Given the lack of quantitative information reported in literature and the inchoate understanding of the dominant processes underpinning nappe oscillations occurrence and development, the global objective of this PhD thesis was to improve the knowledge of the nappe oscillations phenomenon. To that end, experimental modeling was seen as the best way to analyze the problem.

 

First, a prototype scale model of a linear weir has been specifically designed and made flexible with respect to the main parameters of the weir. Then, two original characterization methods of the nappe oscillations properties have been developed based on the distinct audio and visual features of the phenomenon. The application of these methods allowed the determination of the occurrence and development of the oscillations and their associated frequencies. Both were used systematically to assess the influence of various hydraulic and geometric parameters on the nappe oscillations phenomenon.

 

Secondly, given the importance of scale physical modeling for hydraulic structure design, the possible scale effects affecting nappe oscillations were studied by considering a 1/3 scale model of the aforementioned prototype scale facility. The operation of this second model showed that nappe oscillations cannot be scaled according to the traditional similitude for weirs (Froude similitude). Instead, they always occur within the same unit discharge range, although they are prone to hysteresis behavior and are less stable over time for small weir dimensions.

 

Thirdly, considering the data collected from the study of 52 geometric configurations and the expertise gained from hours of nappe oscillations observations and analysis, necessary conditions for nappe oscillations occurrence have been defined. Along with geometrical criteria regarding the fall height and width of the structure, these conditions, although not sufficient, allow to predict the occurrence of the oscillations in many cases.

 

Finally, original mitigation techniques have been developed with the help of practicing engineers and contractors. Identified with respect to constructability, durability, performance and maintenance, these solutions were tested and turn effective regarding disturbing noise reduction without impacting the hydraulic efficiency of the structure.

 

Besides these extensive experimental works, in situ measurements at two Belgian dams proved the applicability and robustness of the measurement methodologies developed in the framework of this thesis and the utility of the results to solve real world problems.

 

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