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ANSWER : études de seiches sur modèle physique à l'Ecole Centrale de Nantes

De Wikigeotech

Sommaire

Eléments de contexte

Les essais sur modèles physique


Etude de seiches dans le bassin à houles de l'ECN par SHF-hydrochannel

Généralités sur les seiches

Les sèches sont des oscillations de longues périodes dans des bassins fermés ou dans des bassins localement isolés.

Les sèches sont souvent mises en évidence dans des tasses à café, des réservoirs de stockage de l'eau. Elles ont fait l'objet de nombreuses observations depuis plusieurs dizaines d'années, notamment sur le lac de Constance en Suisse en 1549 et le premier enregistrement en 1730 sur le lac de Genève.

Korgen décrivait les sèches comme le mouvement rythmique de l'eau après qu'une perturbation rythmique ait mise en mouvement la masse d'eau. Ces oscillations apparaissent reliées aux périodes de résonance naturelle du bassin et sont physiquement similaires aux vibrations d'une guitare ou d'une membrane élastique. Les périodes de résonance des sèches sont déterminées par la géométrie des bassins et par leur profondeur. Dans des bassins naturels, leurs fréquences peuvent s'entendre de quelques dizaines de secondes à plusieurs heures. Les oscillations sont connues comme des modes propres naturelles ; le mode avec la plus basse fréquence (et donc la plus grande période) est appelé "mode fondamental".

Les amplitudes des sèches générées dépendent de la source d'énergie qui les génère et peuvent ainsi présenter de large variabilités. Le phénomène de résonance apparaît quand les fréquences dominantes des forces externes sont proportionnelles aux fréquences propres du bassin.

Les oscillations à l'intérieur des ports constituent un type spécifique de sèche qui apparaissent dans des bassins partiellement fermés comme les fjords les bassins portuaires qui sont connectés à la mer ouverte.

Les oscillations portuaires se distinguent des sèches dans des bassins fermés pour 3 raisons:

  1. contrairement aux sèches générées par un forçage direct extérieur (pression atmosphérique, vent ou activité sismique), les oscillations portuaires sont principalement générées par des ondes longues entrant par les frontières ouvertes en relation avec la mer
  2. les pertes d'énergie des sèches dans les bassins sont principalement associées à de la dissipation alors que l'amortissement des oscillations dans les ports ouverts sont reliés au processus de radiation au travers de l'entrée du port.
  3. les oscillations portuaires ont un mode de fondamental (le mode Helmoltz) similaire au mode fondamental d'un résonateur acoustique. Ces modes sont absents dans le bassin fermé.

L'une des propriétés essentielles des oscillations dans les ports est que même de petites oscillations de la surface libre peuvent produire de grands mouvements verticaux ou horizontaux. Quand cette période coïncide avec la période naturelle (tangage ou roulis) d'un bateau amarré, Il peut se produire une résonance et donc des mouvements importants à l'origine de dégâts sensibles à ces bateaux amarrés et perturber les opérations de chargement – déchargement dans les ports.

Les tsunamis constituent un autre problème important par le fait que leurs périodes dominantes sont très proches, voire identiques avec celle des ondes longues. Le professeur Omori (Japon), qui étudia à ce phénomène en 1902, a mis en évidence le fait que les périodes dominantes des tsunamis incidents étaient identiques à celles causées par les ondes longues dans les bassins côtiers. Son explication tient au fait que les baies ou les portions de mer oscillent avec leurs périodes propres (surtout le mode propre) correspondant à celle du tsunami incident qui provoque des seiches, de manière similaire à celles générées par les processus atmosphériques et les autres sollicitations externes.

La résonance dans les ports

Les expressions précédentes donnant les périodes des sèches à l'intérieur du port sont assez théoriques et supposent que la condition limite à l'extérieur du port se trouve exactement à son entrée. Les solutions des équations de vagues pour des bassins de géométrie simples sont basées sur une condition limite particulière : une ligne nodale (point immobile) exactement à l'entrée du port semi-ouvert. Cependant cette condition n'est pas tout à fait correcte parce qu'elle ne prend pas en compte les pertes par radiation à l'entrée du port. La localisation de ce point nodal peut être approché en utilisant la condition de radiation de Sommerfeld. Il faut donc faire une correction sur la localisation de ce point, ce qui revient à accroître de manière artificielle, la longueur effective du bassin. La détermination de cette position est assez compliquée. Cette relocalisation du point nodal à l'extérieur du bassin est importante quand le bassin semi-ouvert est large et a contrario négligeable quand le bassin est long et étroit. Dans les bassins fermés comme les lacs, c'est la friction qui contrôle la perte d'énergie, qui reste cependant d'intensité relativement faible.

Génération des sèches

Les sèches sont des oscillations naturelles, Elles sont générées par une large gamme de mécanismes incluant les tsunamis, les ondes sismiques, les ondes internes aux océans. Cependant les facteurs les plus communs à la base de ces oscillations dans les bassins ouverts comme les baies et les ports sont les processus atmosphériques et les interactions non linéaires entre vagues. Par contre, les sèches dans les lacs et dans les bassins fermés sont générées par les forces externes qui s'exercent sur la surface, principalement par les variations de pression atmosphériques et par le vent. A l'opposé, la création des oscillations dans les bassins portuaires est un processus en 2 temps impliquant la génération d'ondes longues en plein océan suivi par le forçage des oscillations dans les bassins alors que les ondes longues à l'entrée du port conduisent à la mise en résonance du bassin.

Les oscillations des sèches produites par les forçages externes périodiques peuvent être à la fois libres et forcées. Les oscillations libres sont des vrais sèches correspondant à la période propre du bassin ouvert. Cependant si les fréquences externes diffèrent des fréquences propres du bassin, les oscillations peuvent être considérées comme des seiches forcées. Les vagues en provenance de l'océan pénétrant par l'entrée d'un port ou d'une baie sont en général caractérisées par un spectre large de fréquence qui englobe la réponse du bassin à son mode propre ainsi que des oscillations forcées non résonantes sur d'autres fréquences. Lorsque les forçages externes cessent, les sèches forcées disparaissent petit à petit alors que les modes propres peuvent persister assez longtemps.

Les sèches créées par les gradients météorologiques.

Les ondes longues dans l'océan sont les principaux facteurs conditionnant l'intensité des oscillations dans les bassins portuaires. Si nous mettons de côté les tsunamis et les ondes internes, les principales sources de sèches dans les océans sont les processus atmosphériques qui opèrent de différentes natures:

  1. La génération directe des ondes longues par un forçage atmosphérique (pression et le vent) sur la surface libre.
  2. La génération de mouvements de basse fréquence (surcote marine) qui agissent sur le transfert d'énergie vers les plus hautes fréquences dus aux non linéarités
  3. La génération des ondes de gravité de haute fréquence (les forçage dus au vent et aux houles) et le transfert d'énergie à plus grandes échelles, les oscillations à plus basse fréquence dus aux non linéarités.

Les ondes générés par les deux premiers mécanismes sont connus comme des ondes météorologiques, dont les périodes typiques vont de quelques minutes à plusieurs heures, les longueurs d'onde sont de l'ordre de quelques centaines de kilomètres.

Les ondes météorologiques peuvent être produites par le passage de typhons ou de cyclones. Elle peuvent également être reliées au passage de dépressions. La plus fréquente source de sèches dans les lacs résulte des fluctuations barométriques. Cependant elles peuvent être également produites par de fortes pluies, de fortes précipitations de la neige ou des variations de débit à l'une des extrémités de lac.

Les ondes infra gravitaires

Les ondes longues générées par les interactions non-linéaires entre mers de vent et houles sont appelées ondes infra gravitaires. Ces ondes ont des périodes allant de 30 secondes à 300 à 600 secondes et des longueurs d'onde allant de 100 m à 10 km. À cause du fait que ces vagues sont observables lors de forts changements du niveau de l'océan au niveau supérieur de la zone de surf elles sont appelés les surf-beats. Elles apparaissent partout et sont en forte interaction non linéaire avec le vent. De récentes mesures de terrain ont établi que les ondes infra gravitaires conditionnent le champ de vitesse proche du littoral et consiste en la superposition de de deux types de houle : l'une se propageant le long littoral l'autre perpendiculaire au littoral en provenance de l'océan. Les ondes infra gravitaires sont responsables de plusieurs phénomènes dans la zone côtière, incluant la formation de rip-courants, le wave-setup qui conditionne la géométrie de la cote sableuse avec des formes telles que les barres de déferlement, ou tout autre forme plus ou moins régulière de géographie côtière.

En France on note la présence d'ondes infra gravitaires dans les ports de Toulon et de Marseille, à l'origine de mouvements très contraignants apportés au bateau. Elles sont en général de l'ordre de la minutes à quelques minutes.

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