Stabilite d’un fond´ erodable´
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Stabilite d’un fond erodabledans un ecoulement cisaille
Pierre-Yves Lagree,& Kouame Kan Jacques KouakouLaboratoire de Modelisation en MecaniqueUPMC-CNRS, Paris
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
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2
– interaction fluide / sol
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2
– interaction fluide / sol– probleme complexe
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2
– interaction fluide / sol– probleme complexe– simplifications tres fortes :
- ecoulement de base : cisaillement- ecoulement stationnaire 2D- simple relation entre le cisaillement et le flux de materiaux
Mais : comparaisons entre des resultats lineaires et non-lineaires en 2D3D lineaire
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3Plan
– relation entre le cisaillement et le flux de materiaux– Cas Re << 1 perturbation d’un ecoulement cisaille, cas Stokes– Cas Re >> 1 perturbation d’un ecoulement cisaille, cas ”Double Deck” : , (ero-
dable / lit solide)– Conclusion,
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4
Le probleme couple
- pour un sol donne f(x, t)- ...
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5
Le probleme couple
- pour un sol donne f(x, t)- nous devons calculer l’ecoulement (u(x, y, t)).
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Le probleme couple
- pour un sol donne f(x, t)- nous devons calculer l’ecoulement (u(x, y, t)).
- l’ecoulement erode le sol.
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Le probleme couple
- pour un sol donne f(x, t)- nous devons calculer l’ecoulement (u(x, y, t)).
- l’ecoulement erode le sol.
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Le probleme couple
- pour un sol donne f(x, t)- nous devons calculer l’ecoulement (u(x, y, t)).
- l’ecoulement erode le sol.- ce qui change le sol.
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7
Le probleme couple
- pour un sol donne f(x, t)- nous devons calculer l’ecoulement (u(x, y, t)).
- l’ecoulement erode le sol.- ce qui change le sol.- etc
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Le probleme couple
- pour un sol donne f(x, t)- nous devons calculer l’ecoulement (u(x, y, t)).
- l’ecoulement erode le sol.- ce qui change le sol.- etc
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Le probleme couple
- pour un sol donne f(x, t)- nous devons calculer l’ecoulement (u(x, y, t)).
- l’ecoulement erode le sol.- ce qui change le sol.- etcnous aller presenter une description simplifiee pour l’ecoulement etet pour l’interaction avec le sol.
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Le sol erodable
Conservation de la masse pour les sediments :
∂f
∂t= −∂q
∂x.
Probleme :Quelle est la relation entre q et l’ecoulement ?indication : plus u est grand, plus l’erosion est importante et plus grand est qq semble etre proportionnel au cisaillement parietal
u
q
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Mass : Seuil, Le critere de Shield
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Mass : Seuil, Le critere de Shield
Les lois d’entraınement de M. Scipion Grassur les torrents des Alpes (Annales des ponts et Chaussees, 1857, 2e semestre) resumees par du Boys 1879 :
“un caillou pose au fond d’un courant liquide, peut etre deplace par l’impulsion des filets qui le rencontrent : le mouvement aura lieu si la
vitesse est superieure a une certaine limite qu’il (S. Gras) nomme vitesse d’entraınement. Cette vitesse limite depend de la densite, du
volume et de la forme du caillou ; elle depend aussi de la densite du liquide et de la profondeur du courant.”
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12Mass : Flux
dans la litterature :
qs = E$(τa(τ − τs)b)si(τ − τs) > 0 alors $(τ − τs) = (τ − τs) sinon $((τ − τs)) = 0.
avec une correction de pente pour le seuil :
τs + Λ∂f
∂x,
a,E coefficients, a = 0, b = 3 ou a = b = 1 ou a = 1/2, b = 1 ou ...
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12Mass : Flux
dans la litterature :
qs = E$(τa(τ − τs)b)si(τ − τs) > 0 alors $(τ − τs) = (τ − τs) sinon $((τ − τs)) = 0.
avec une correction de pente pour le seuil :
τs + Λ∂f
∂x,
a,E coefficients, a = 0, b = 3 ou a = b = 1 ou a = 1/2, b = 1 ou ...
∂f
∂t= −∂q
∂x.
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13Masse : loi de conservation
variation de la matiere en suspensiondans dV =
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13Masse : loi de conservation
variation de la matiere en suspensiondans dV =(ce qui rentre)
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13Masse : loi de conservation
variation de la matiere en suspensiondans dV =(ce qui rentre) - (ce qui sort)
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13Masse : loi de conservation
variation de la matiere en suspensiondans dV =(ce qui rentre) - (ce qui sort)
...Lagree 03Charru Hinch 05Valance Langlois 05...
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14Masse : loi de conservation
R
f
∂R
∂t= ...
∂f
∂t= ...
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15Masse : loi de conservation
f
∂R
∂t= ...
∂f
∂t= ...
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16Masse : loi de conservation
f
∂R
∂t= ... + Γ
∂f
∂t= −Γ
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17Masse : loi de conservation
f
∂R
∂t= ... + Γ
∂f
∂t= −Γ
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18Masse : loi de conservation
q
f
∂R
∂t= −∂q
∂x+ Γ
∂f
∂t= −Γ
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19Masse : loi de conservation
q
f
∂R
∂t= −∂q
∂x+ Γ
∂f
∂t= −Γ
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19Masse : loi de conservation
q
f
∂R
∂t= −∂q
∂x+ Γ
∂f
∂t= −Γ
Γ = (erosion)-(deposition)
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19Masse : loi de conservation
q
f
∂R
∂t= −∂q
∂x+ Γ
∂f
∂t= −Γ
Γ = (erosion)-(deposition)
-(deposition) ∝ −R erosion ∝ (τ − τs) et q ∝ R
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20Masse : loi de conservation
lsat∂q
∂x+ q = qsat
∂f
∂t= −∂q
∂x
qsat ' $((τ − τs))
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21qsat
0.35
0.2 ρsat = 2α (τ−τs)/g
usat = ueff − δu ueff ∝ √τ − τs
δu
lsat∂q
∂x= q(1 − q
qsat), qsat = q0Hd((Θ − Θs))(Θ − Θs)
b,
lsat =2α u2
satg γr
τsτ − τs
,
Hd q0 b b 1 3
qsat τ 3/2
lsat∂q
∂x+ q = qsat, qsat = q0 (Θ − Θs)Hd(Θ − Θs), lsat =
x
q
lsat
qsat
lsat
u∗
qs = B(d)ρ
gu3∗
qr ∝ qs
lsat ∝ s d
lsat ξ
lsatξ ∝ s d
ξ $10 − 15 ρp $ 2500 kg ·m−3, ρ $ 1 kg · m−3 d $ 200 µm
lsat $ 5 − 7.5 m.
c
∂
∂t
∫Ω
φdV =
∫∂Ω
−→q · d−→S + .
érosion
sédimentation
f(x,t)
Ω
∂Ω
Sauerman, Kroy, Hermann 01, Andreotti Claudin Douady 02,
lsat∂q
∂x+ q = qsat
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22qsat
0.35
0.2 ρsat = 2α (τ−τs)/g
usat = ueff − δu ueff ∝ √τ − τs
δu
lsat∂q
∂x= q(1 − q
qsat), qsat = q0Hd((Θ − Θs))(Θ − Θs)
b,
lsat =2α u2
satg γr
τsτ − τs
,
Hd q0 b b 1 3
qsat τ 3/2
lsat∂q
∂x+ q = qsat, qsat = q0 (Θ − Θs)Hd(Θ − Θs), lsat =
x
q
lsat
qsat
lsat
u∗
qs = B(d)ρ
gu3∗
qr ∝ qs
lsat ∝ s d
lsat ξ
lsatξ ∝ s d
ξ $10 − 15 ρp $ 2500 kg ·m−3, ρ $ 1 kg · m−3 d $ 200 µm
lsat $ 5 − 7.5 m.
c
∂
∂t
∫Ω
φdV =
∫∂Ω
−→q · d−→S + .
érosion
sédimentation
f(x,t)
Ω
∂Ω
Du Boy (1879) :“une fois une certaine quantite de matieres en mouvement sur le fond du lit, la vitesse des filets liquides devient trop faible pour entraıner
davantage : le cours d’eau est alors sature. Un cours d’eau non sature tend a le devenir en entraınant une partie des materiaux qui
composent son lit, et en choisissant de preference les plus petits.”
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23Transport de Masse
Un autre point de vue :
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23Transport de Masse
Un autre point de vue :ConvectionSedimentationDiffusion
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24
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25
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26
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35
Vitesse des sediments :
up =vp =
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36
Vitesse des sediments :
up = uvp = vConvection
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37
Vitesse des sediments :
up = uvp = v − Vf
Sedimentation
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38
Vitesse des sediments :
up = u−D ∂c∂x
vp = v − Vf −D∂c∂y
Diffusion
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39
Equation de conservation de la masse des sediments :
forme locale ;∂cu
∂x+
∂c(v − Vf)∂y
=∂c
∂xD
∂c
∂x+
∂
∂yD
∂c
∂y
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40
Equation de conservation de la masse des sediments :
forme locale ;∂cu
∂x+
∂c(v − Vf)∂y
=∂
∂yD
∂c
∂y
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40
Equation de conservation de la masse des sediments :
forme locale ;∂cu
∂x+
∂c(v − Vf)∂y
=∂
∂yD
∂c
∂y
forme integrale :∫∞0
cudy = q, ... Γ = −c(x, 0)(Vf)−D∂c∂y(x, 0)
∂q
∂x= Γ
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40
Equation de conservation de la masse des sediments :
forme locale ;∂cu
∂x+
∂c(v − Vf)∂y
=∂
∂yD
∂c
∂y
forme integrale :∫∞0
cudy = q, ... Γ = −c(x, 0)(Vf)−D∂c∂y(x, 0)
∂q
∂x= Γ
∂f
∂t= −Γ;
![Page 55: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/55.jpg)
40
Equation de conservation de la masse des sediments :
forme locale ;∂cu
∂x+
∂c(v − Vf)∂y
=∂
∂yD
∂c
∂y
forme integrale :∫∞0
cudy = q, ... Γ = −c(x, 0)(Vf)−D∂c∂y(x, 0)
∂q
∂x= Γ
∂f
∂t= −Γ;
si∂u
∂y|0 > τs alors − ∂c
∂y|0 = β(
∂u
∂y|0 − τs)γ, sinon − ∂c
∂y|0 = 0.
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40
Equation de conservation de la masse des sediments :
forme locale ;∂cu
∂x+
∂c(v − Vf)∂y
=∂
∂yD
∂c
∂y
forme integrale :∫∞0
cudy = q, ... Γ = −c(x, 0)(Vf)−D∂c∂y(x, 0)
∂q
∂x= Γ
∂f
∂t= −Γ;
si∂u
∂y|0 > τs alors − ∂c
∂y|0 = β(
∂u
∂y|0 − τs)γ, sinon − ∂c
∂y|0 = 0.
i.e. :∂f
∂t= −∂q
∂x.
Brivois 05/ Lagree 00, 03
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
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41Forme finale
qAr
-Vf
qAr
-Vf
c
Sauerman, Kroy, Hermann 01/ Andreotti Claudin Douady 02/ Lagree 00/03 Valance Langlois 05 Hinch Charru (sm) Kouakou Lagree (sm)
ls∂
∂xq + q = ($(τ − τs − Λ
∂f
∂x)γ).
- flux total de sediments convectes q.- effet de seuil τs
- effet de pente Λ∂f∂x
- $(x) = x si x > 0 (sinon 0), γ, ls ...- attention : ls ∝ U ′
s ou ls ∝ 1/U ′s
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
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42Remarque
- utilisation d’une seule loi : la loi de conservation de la masse
- la loi de la conservation de la quantite de mouvement est sur simplifiee(absente !)
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
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43Le fluide
Resolution numerique des equations de Navier Stokes.En ”vrai” : la viscosite change... turbulence...
Ici on presente des simplifications severes :
• Ecoulement quasistationnaire• Solution Asymptotique de N.S. : theorie laminaire visqueuse a Re = 0• Solution Asymptotique de N.S. : theorie laminaire visqueuse a Re = ∞Triple Deck Stewartson 69/ Neiland 69 (en fait Double Deck Smith 80)En fait Fowler 01• Solutions linearisees
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
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44
Cas tres visqueux Re = 0
Ecoulement cisaille sur la bosse f(x, t) a faible nombre de Reynolds
f(x, t) donne τ = 1 + 2π
∫∞−∞
f ′
x−ξdξ
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
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45
perturbation d’un ecoulement cisaille Re = 0
-2
-1
0
1
2
3
4
5
-3 -2 -1 0 1 2
Fro
ttem
ent
LineaireCASTEM,h=0.05
CASTEM,h=0.1CASTEM,h=0.2CASTEM,h=0.3CASTEM,h=0.4
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
-3 -2 -1 0 1 2 3
frot
tem
ent
x
Tau FOURIERTau FREEFEM
perturbation du frottement parietal calcule par CASTEM 1h0
∂u∂y pour 0.05 < h0 < 0.4
(hauteur) et Re = 1perturbation calculee avec FreeFem.
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
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46Couplage fluide fond, cas Re = 0
si q = τ − τs
∂f
∂t= −1
π
∂
∂x
∫f ′
x− ξdξ.
on obtient l’equation de Benjamin -Ono lineaire.
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47
Evolution calculee, cas Re = 0
Resolution numeriquedispersion d’une bosse donnee
-5 0 5 10 15 20 25
x
t=0
t=1
t=2
t=3
t=4
t=5
animation une autre animation
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
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48Couplage fluide fond, cas Re = 0
- si q = ($(τ − τs)) neutre, dispersif.
![Page 65: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/65.jpg)
48Couplage fluide fond, cas Re = 0
- si q = ($(τ − τs)) neutre, dispersif.
- si ls∂∂xq + q = ($(τ − τs − Λ∂f
∂x) configuration stable...
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48Couplage fluide fond, cas Re = 0
- si q = ($(τ − τs)) neutre, dispersif.
- si ls∂∂xq + q = ($(τ − τs − Λ∂f
∂x) configuration stable...
on passe a Re = ∞...
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![Page 67: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/67.jpg)
49Solution Asymptotique ”double deck theory”
Effets visqueux toujours predominants au fondPerturbation d’un ecoulement cisailleResolution Non Lineaire possible (avec separation : courant de retour)
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
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50
Theorie du Double Deck
l
H
Pour une bosse de longueur d’ordre λ et de hauteur d’ordre H << δ :
τ = µU ′0(U
′S(1 + (
U ′0
νλ)1/3Hc)), avec c = FT−1[FT [f ]3Ai(0)(−(i2πk)U ′
S)1/3]
la fonction du temps U ′S est un nombre d’ordre 1.
(U ′
0
νλ)1/3H ≤ 1
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51
NS/ Double Deck Lineaire et Non-Lineaire
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
-2 -1 0 1 2 3
tau
x
NSNL DD
L DDf
h = 0.1, Re = 1000
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52
NS/ Double Deck Lineaire et Non-Lineaire
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
-2 -1 0 1 2 3
tau
x
NSNL DD
L DDf
h = 0.2, Re = 1000
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
![Page 71: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/71.jpg)
53
NS/ Double Deck Lineaire et Non-Lineaire
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
-2 -1 0 1 2 3
tau
x
NSNL DD
L DDf
h = 0.3, Re = 1000
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
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54
Double Deck Lineaire et Non-Lineaire
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5
y
x
lin.0.100.501.002.002.252.50
Perturbation reduite du cisaillement(∂u
∂y0− 1)/α en fonction de x
pour la bosse αe−πx2
avec α = 0.10, α = 0.5, α = 1.0,α = 2, α = 2.25, α = 2.50.La courbe ”lin.” est la prediction lineaire, les autressont les resolutions numeriques nonlineaires.
(separation pour α > 2.1)
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
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55Comparaison avec Navier Stokes
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Re grand
BosseLineaire
D-DCASTEM, Re=100CASTEM, Re=500
CASTEM, Re=1000
0.1
1
10
1 10 100 1000
hauteur de separation2.1*Re**(-1/3)
pas mal !conclusion : la perturbation du cisaillement est en avance par rapport au sommetde la bosse.
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
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56
Sol completement erodable
Solution deτ = TF−1[(3Ai(0))(−ik)1/3TF [f ]]
ls∂q
∂x+ q = $(τ − τs)
∂f
∂t= −∂q
∂x
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
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57
Stabilite lineaire
ecoulement cisaille pur
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
PSfrag replacements
k
σ
Figure 3: Constant shear, U ′S = 1, amplification factor σ as function of number
k, case (6 or 22 or 23) with lK = 1, decreasing lK increases the cut off value ofk.
fluid
erodible bed
PSfrag replacements
τ − U ′S
f
Figure 4: A wavy profile (bold line, f) has a perturbation of skin friction (dashedline, τ − U ′
S) in advance of phase. When it is positive, the matter is moveddown stream (small arrows on the profile), when is is negative, it is in oppositedirection. The result is an increase of the wave and a displacement in the streamdirection (large inclined arrows).
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
PSfrag replacements
k
σ
Figure 5: Amplification factor function of wave number. Averaged oscillatingcase, Λ = 1 case (4 and 27).
13
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
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58
Stabilite lineaire
ecoulement cisaille pur
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
PSfrag replacements
k
σ
Figure 3: Constant shear, U ′S = 1, amplification factor σ as function of number
k, case (6 or 22 or 23) with lK = 1, decreasing lK increases the cut off value ofk.
fluid
erodible bed
PSfrag replacements
τ − U ′S
f
Figure 4: A wavy profile (bold line, f) has a perturbation of skin friction (dashedline, τ − U ′
S) in advance of phase. When it is positive, the matter is moveddown stream (small arrows on the profile), when is is negative, it is in oppositedirection. The result is an increase of the wave and a displacement in the streamdirection (large inclined arrows).
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
PSfrag replacements
k
σ
Figure 5: Amplification factor function of wave number. Averaged oscillatingcase, Λ = 1 case (4 and 27).
13Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
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59
Interpretation
ecoulement cisaille pur
f
fluid
erodible bed
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
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60
Interpretation
ecoulement cisaille pur
f
τ
fluid
erodible bed
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
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61
Interpretation
ecoulement cisaille pur
f
τ
fluid
erodible bed
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
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62
Interpretation
ecoulement cisaille pur
f
τ
fluid
erodible bed
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
![Page 81: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/81.jpg)
63
Interpretation
ecoulement cisaille pur
f
fluid
erodible bed
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
![Page 82: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/82.jpg)
64
Interpretation
ecoulement cisaille pur
f
fluid
erodible bed
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
![Page 83: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/83.jpg)
65
Interpretation
ecoulement cisaille pur
f
fluid
erodible bed
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
![Page 84: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/84.jpg)
66
Interpretation
ecoulement cisaille pur
f
fluid
erodible bed
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
![Page 85: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/85.jpg)
67
Interpretation
ecoulement cisaille pur
f
fluid
erodible bed
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
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68
Sol completement erodable
exemple de calculs :animation 1,animation 2 (longueur doublee.animation 2 (cuve circulaire).Il y a toujours coarsening, ”Murissement”. Il ne reste qu’une bosse dans la boıte.
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
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69
-60 -40 -20 0 20 40 60
x
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
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70
0
2
4
6
8
10
12
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
t
hmaxn
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
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71
1
10
100
1000
100 1000 10000 100000
t**.9
PSfrag
replacements
t
t
λm
ax
Figure 11: Constant shear, the wave length of the structure scales with a powerbetween t0.9 and t.
-60 -40 -20 0 20 40 60-60 -40 -20 0 20 40 60
PSfrag
replacements
xx
Figure 12: Oscillating regime with (22) and slope limitation V = 1, 1µ = 0.05,
spatio-temporal diagram, time increases from bottom to top.
16
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
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72
Stabilite lineaire
Ecoulement oscillant U ′0 = cos(t)
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
PSfrag replacements
k
σ
Figure 6: Amplification factor function of wave number. Averaged oscillatingcase, lK = 1 case (6and 28).
! "
fluid
erodible bed
PSfrag replacements
τ
f
Figure 7: A wavy profile (bold line, f) has a mean perturbation of skin friction(dashed line, < τ >) out of phase. When < τ > is positive, the matter is movedfrom left to right (small arrows on the profile), when it is negative, it is inopposite direction. The result is an increase of the wave without displacement(large vertical arrows).
0.5 1 1.5 2 2.5 3
0.250.5
0.751
1.251.5
1.752
PSfrag replacements
k
log(
f k(t
))
t
Figure 8: Decelerated case Λ = 1 (21 and 30), plot of log(fk(t)) as function of kfor various increasing times. As time increases, short waves are more and morestabilised.
14
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
![Page 91: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/91.jpg)
73
Interpretation
Ecoulement oscillant U ′0 = cos(t)
fluid
erodible bed
f
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74
Interpretation
Ecoulement oscillant U ′0 = cos(t)
fluid
erodible bed
f
<τ>
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75
Interpretation
Ecoulement oscillant U ′0 = cos(t)
fluid
erodible bed
f
<τ>
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76
Interpretation
Ecoulement oscillant U ′0 = cos(t)
f
<τ>
fluid
erodible bed
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77
Interpretation
Ecoulement oscillant U ′0 = cos(t)
f
fluid
erodible bed
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78
Interpretation
Ecoulement oscillant U ′0 = cos(t)
f
fluid
erodible bed
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
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79
Interpretation
Ecoulement oscillant U ′0 = cos(t)
f
fluid
erodible bed
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
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80
Interpretation
Ecoulement oscillant U ′0 = cos(t)
f
fluid
erodible bed
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
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81
Interpretation
Ecoulement oscillant U ′0 = cos(t)
f
fluid
erodible bed
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82
Sol completement erodable
exemple de calculs :animation (cuve circulaire).
”coarsening”
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83
-60 -40 -20 0 20 40 60
PSfrag
replacements
x
Figure 13: Oscillating regime with (22), spatio temporal diagram, time increasesfrom bottom to top. Ripples growth from a random noise and merge two bytwo.
0
2
4
6
8
10
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000t
hmaxn
Figure 14: oscillating case U ′S = cos(t), lK = 1, evolution of the maximum
height of the bumps, and number of bumps in the domain versus time.
17
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84
1
10
100
1000 10000 100000
t**2/3t**.6
PSfrag
replacements
t
λm
ax
Figure 15: Oscillating shear, the wave length of the structure scales with apower law between t0.6 and t2/3.
-100 -50 0 50 100
PSfrag
replacements
x
Figure 16: Decelerated case with (23) ls = 1. Spatio- temporal diagram, timeincreases from bottom to top. There is a final steady bed because the shearstress is under the threshold.
18
q ' τ
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85
Quelques verifications experimentales grossieres
Betat, Kruelle, Frette, and Rehberg (2002) :La longueur d’onde la plus instable est environ 9cm, σ∗ = 310−3s−1
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85
Quelques verifications experimentales grossieres
Betat, Kruelle, Frette, and Rehberg (2002) :La longueur d’onde la plus instable est environ 9cm, σ∗ = 310−3s−1
λ∗ ' 15cm.
σ∗ = 1.2 10−3s−1,
C’est l’ordre de grandeur correct.
![Page 105: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/105.jpg)
85
Quelques verifications experimentales grossieres
Betat, Kruelle, Frette, and Rehberg (2002) :La longueur d’onde la plus instable est environ 9cm, σ∗ = 310−3s−1
λ∗ ' 15cm.
σ∗ = 1.2 10−3s−1,
C’est l’ordre de grandeur correct.σ∗ augmente avec le cisaillement, observe
![Page 106: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/106.jpg)
85
Quelques verifications experimentales grossieres
Betat, Kruelle, Frette, and Rehberg (2002) :La longueur d’onde la plus instable est environ 9cm, σ∗ = 310−3s−1
λ∗ ' 15cm.
σ∗ = 1.2 10−3s−1,
C’est l’ordre de grandeur correct.σ∗ augmente avec le cisaillement, observeλ∗ augmente avec U ′
0−1, pas observe
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![Page 107: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/107.jpg)
86
Quelques verifications experimentales grossieres
Cas Oscillant Rousseaux Stegner Wesfreid (2004)λinitial ' 0.5cm.
![Page 108: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/108.jpg)
86
Quelques verifications experimentales grossieres
Cas Oscillant Rousseaux Stegner Wesfreid (2004)λinitial ' 0.5cm.
λ∗ ' 0.26cm.
C’est l’ordre de grandeur correct.
![Page 109: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/109.jpg)
86
Quelques verifications experimentales grossieres
Cas Oscillant Rousseaux Stegner Wesfreid (2004)λinitial ' 0.5cm.
λ∗ ' 0.26cm.
C’est l’ordre de grandeur correct.La formule predit λ∗ ∝ d3/2, λ∗ ∝ δ2, et λ∗ ∝ ν−1.c’est dans le bon sens
![Page 110: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/110.jpg)
86
Quelques verifications experimentales grossieres
Cas Oscillant Rousseaux Stegner Wesfreid (2004)λinitial ' 0.5cm.
λ∗ ' 0.26cm.
C’est l’ordre de grandeur correct.La formule predit λ∗ ∝ d3/2, λ∗ ∝ δ2, et λ∗ ∝ ν−1.c’est dans le bon sens
Rousseau et coll. ont fitte : λmax ∝ Log(t) (Cahn-Hillard)
![Page 111: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/111.jpg)
86
Quelques verifications experimentales grossieres
Cas Oscillant Rousseaux Stegner Wesfreid (2004)λinitial ' 0.5cm.
λ∗ ' 0.26cm.
C’est l’ordre de grandeur correct.La formule predit λ∗ ∝ d3/2, λ∗ ∝ δ2, et λ∗ ∝ ν−1.c’est dans le bon sens
Rousseau et coll. ont fitte : λmax ∝ Log(t) (Cahn-Hillard)
λmax ∝ t2/3
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![Page 112: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/112.jpg)
87Bosse finale : une pseudo ”dune”
Processus de murissementIl y a de moins en moins de bosses dans la boıte de calculApplication au cas du cisaillement constant
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
![Page 113: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/113.jpg)
88Bosse finale : une pseudo ”dune”
En fin de murissement, il ne reste qu’une bosse qui ocupe toute la boıte.
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
![Page 114: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/114.jpg)
89Bosse finale : une pseudo ”dune”
En fin de murissement, il ne reste qu’une bosse qui ocupe toute la boıte.
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
![Page 115: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/115.jpg)
90Bosse finale : une pseudo ”dune”
En fin de murissement, il ne reste qu’une bosse qui ocupe toute la boıte.
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
![Page 116: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/116.jpg)
91Bosse finale : une pseudo ”dune”
En fin de murissement, il ne reste qu’une bosse qui ocupe toute la boıte.
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
![Page 117: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/117.jpg)
92
Deplacement d’une ”dune” dans un ecoulement cisaille :sol rigide
Solution deτ = TF−1[(3Ai(0))(−ik)1/3TF [f ]]
∂q
∂x+ V q = V $(τ − τs)
∂f
∂t= −∂q
∂ximplementer f toujours positif.
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93
Deplacement d’une ”dune” dans un ecoulement cisaille :
animation
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94Exemple
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
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95
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
![Page 121: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/121.jpg)
96
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
![Page 122: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/122.jpg)
97
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
![Page 123: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/123.jpg)
98
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![Page 124: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/124.jpg)
99
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![Page 125: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/125.jpg)
100
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![Page 126: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/126.jpg)
101
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![Page 127: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/127.jpg)
102
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![Page 128: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/128.jpg)
103
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![Page 129: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/129.jpg)
104
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105
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![Page 131: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/131.jpg)
106
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107
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![Page 133: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/133.jpg)
108
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![Page 134: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/134.jpg)
109
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![Page 135: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/135.jpg)
110
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![Page 136: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/136.jpg)
111
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![Page 137: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/137.jpg)
112
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![Page 138: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/138.jpg)
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![Page 139: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/139.jpg)
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![Page 140: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/140.jpg)
115
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![Page 141: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/141.jpg)
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![Page 142: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/142.jpg)
117
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
![Page 143: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/143.jpg)
118
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
![Page 144: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/144.jpg)
119
Carry Le Rouet / 15 juin 2005 ... ...
![Page 145: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/145.jpg)
120
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![Page 146: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/146.jpg)
121
Probleme Auto Semblablerescalons x = Lx∗, on doit avoir f = L1/3f∗ pour que τ soit invariant
τ = L−1/3L1/3TF−1[(3Ai(0))(−ik∗)1/3TF [f∗]] = τ∗
![Page 147: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/147.jpg)
121
Probleme Auto Semblablerescalons x = Lx∗, on doit avoir f = L1/3f∗ pour que τ soit invariant
τ = L−1/3L1/3TF−1[(3Ai(0))(−ik∗)1/3TF [f∗]] = τ∗
q = q∗
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121
Probleme Auto Semblablerescalons x = Lx∗, on doit avoir f = L1/3f∗ pour que τ soit invariant
τ = L−1/3L1/3TF−1[(3Ai(0))(−ik∗)1/3TF [f∗]] = τ∗
q = q∗∫fdx = m d’ou L4/3 = m avec
∫f∗dx∗ = 1
(lsL
)∂q∗
∂x∗+ q∗ = $(τ∗ − τs)
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121
Probleme Auto Semblablerescalons x = Lx∗, on doit avoir f = L1/3f∗ pour que τ soit invariant
τ = L−1/3L1/3TF−1[(3Ai(0))(−ik∗)1/3TF [f∗]] = τ∗
q = q∗∫fdx = m d’ou L4/3 = m avec
∫f∗dx∗ = 1
(lsL
)∂q∗
∂x∗+ q∗ = $(τ∗ − τs)
∂f∗
∂t∗= −∂q∗
∂x∗
t = L4/3t∗ and c = L−1/3c∗ d’ou c = m−1/4c∗
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121
Probleme Auto Semblablerescalons x = Lx∗, on doit avoir f = L1/3f∗ pour que τ soit invariant
τ = L−1/3L1/3TF−1[(3Ai(0))(−ik∗)1/3TF [f∗]] = τ∗
q = q∗∫fdx = m d’ou L4/3 = m avec
∫f∗dx∗ = 1
(lsL
)∂q∗
∂x∗+ q∗ = $(τ∗ − τs)
∂f∗
∂t∗= −∂q∗
∂x∗
t = L4/3t∗ and c = L−1/3c∗ d’ou c = m−1/4c∗
1/c proportionnel a m1/4 et fonction de l−1s m3/4
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122
Probleme Auto Semblable
0
1
2
3
4
5
-4 -2 0 2 4
z
x
mŒme masse 7.5
hauteur init:1.5 largeur init:10hauteur init:3 largeur init:5
hauteur init:7.5 largeur init:2
Deux differentes bosses de meme masse donnent le meme etat final
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123
Probleme Auto Semblable
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2
z
x
V*m**(3/4)=3.86116
m=1.4 V=3m=1 V=3.86116
Deux cas de meme l−1s m3/4.
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124Self Similarity
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2
PSfrag
replacem
ents
l∗s = 1/4l∗s = 1/5l∗s = 1/7l∗s = 1/9
x∗ − c∗t∗
f∗ fin
(x∗−
c∗t∗
)
Fig. 8. ”Dunes” of unit mass with l∗s = 1/4, 1/5, 1/7, 1/9 (τs = 0.9). The smaller l∗sis, the thinner and higher the ”dune” is.
19
selfsimilarity, unit mass m = 1, different l−1s m3/4.
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125
Probleme Auto Semblable
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
0 5 10 15 20 25 30
PSfrag
replacem
ents
(l∗s)−1
c∗
τs = 0.8τs = 0.9
τs = 0.5
Fig. 7. The selfsimilar relation between the mass m, the inverse of the saturationlength l∗s = lsm−3/4, and the velocity c∗ = cm1/4 of the ”dune” for three values ofthe threshold: τs = 0.9, 0.8, and 0.5. For a fixed threshold, there is a maximal valueof the saturation length l∗s over which there is no solution.
18
cm1/4 fonction de l−1s m3/4.
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126
Lineaire / Non lineaire : comparaison
0
1
2
3
4
5
-4 -2 0 2 4x
dune
PSfrag
replacem
entsx
τ
Fig. 6. An example of a non-linear final moving “dune” solution (τs = 0.9, 1/ls = 2.5,m = 6). The weather side is nearly flat. The skin friction is represented; it is negativein the lee side: there is boundary layer separation.
17
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127formes finales lin/ non lin
0
2
4
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
0
2
4
0
2
4
0
2
4
0
2
4
Fig. 5. The non-linear final moving ”dune” solution ffin(x − ct) is representedwith solid lines, the linear solution is represented with dashed lines, and τs = 0.9,1/ls = 2.5, m = 2, 3, 4, 5 (bottom curve to top curve).
16
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128Conclusion
– pas trop realiste
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128Conclusion
– pas trop realiste– mais justification du calcul du cisaillement (compare a NS), qui autorise la
separation
![Page 159: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/159.jpg)
128Conclusion
– pas trop realiste– mais justification du calcul du cisaillement (compare a NS), qui autorise la
separation– ordres de grandeur corrects
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128Conclusion
– pas trop realiste– mais justification du calcul du cisaillement (compare a NS), qui autorise la
separation– ordres de grandeur corrects– temps de calcul assez court– ”coarsening”
![Page 161: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/161.jpg)
128Conclusion
– pas trop realiste– mais justification du calcul du cisaillement (compare a NS), qui autorise la
separation– ordres de grandeur corrects– temps de calcul assez court– ”coarsening”– prediction de la dependance speciale de la vitesse de la pseudo dune en m−1/4
![Page 162: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/162.jpg)
128Conclusion
– pas trop realiste– mais justification du calcul du cisaillement (compare a NS), qui autorise la
separation– ordres de grandeur corrects– temps de calcul assez court– ”coarsening”– prediction de la dependance speciale de la vitesse de la pseudo dune en m−1/4
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![Page 163: Stabilite d’un fond´ erodable´](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012809/61bea92b9bd60202f3540540/html5/thumbnails/163.jpg)
129Perspectives
– Application a un cas special : Hele Shaw– Cas turbulent ”Interacting Boundary Layer”
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