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Introduction de l’ouvrage : Diffusion Illustration de couverture : L’ancien bar

Introduction de l’ouvrage : Diffusion Illustration de couverture : L’ancien barrage du Couesnon. Photo : Ph. Unterreiner, Ingénieur en Chef des Ponts, lors de la Mission Mont Saint-Michel qu’il a dirigée. Remerciements à F. Verger, Professeur à l’ENS. LES ÉDITIONS DE L’ÉCOLE POLYTECHNIQUE Hydrodynamique de l’environnement Olivier Thual Olivier Thual Hydrodynamique de l’environnement Mécanique Olivier Thual Olivier Thual est professeur des Universités à l’Institut National Polytechnique de Toulouse (INPT) et professeur chargé de cours à l’École Polytechnique (X). Ancien élève de l’X, ses travaux de recherche passés et actuels portent sur la mécanique des fluides géophysiques à Météo-France, au CERFACS puis à l’ENSEEIHT et à l’IMFT. L’ouvrage s’adresse aux élèves des grandes écoles scientifiques et aux étudiants des uni- versités dont le cursus intègre un enseignement de mécanique des fluides orienté vers les sciences de l’environnement. L’ouvrage regroupe, dans une formulation abordable et simplifiée, les concepts de base utiles pour les métiers de l’ingénieur ou du chercheur tournés vers la mécanique des fluides appliquée à l’environnement. Ses neuf chapitres peuvent être lus indépendam- ment les uns des autres, même s’il existe une progression dans leur enchaînement. La première partie débute par un rappel ou un premier contact avec la mécanique des fluides, avec la définition de la charge hydraulique et la modélisation des écoulements souterrains. La modélisation de la turbulence est ensuite abordée et appliquée aux calculs de perte de charges. La deuxième partie couvre, de manière simplifiée, les notions principales de l’hydraulique fluviale : courbes de remous, équations de Saint Venant, ondes de crues, ressauts hydrau- liques stationnaires ou instationnaires. La troisième partie aborde le domaine de l’hydrodynamique marine sous l’angle de la dynamique des ondes de surface. L’accent est mis sur la dispersion, la réfraction, la diffrac- tion et la réflexion de ces ondes, qu’il s’agisse de la houle à l’échelle d’un port ou d’une plage ou des ondes de marées à l’échelle du globe. ISBN 978-2-7302-1564-0 9 782730 215640 Titre : Hydrodynamique de l’environnement Auteur : Olivier THUAL ´ Editeur : ´ Editions de l’Ecole Polytechnique Ann´ ee : 2010 2 Table des mati` eres Introduction 7 I M´ ECANIQUE DES FLUIDES 15 1 ´ Ecoulements incompressibles 17 1 Cin´ ematique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2 Lois de conservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3 Fluides newtoniens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2 ´ Ecoulements potentiels 49 1 Perte de charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2 Milieux poreux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3 ´ Ecoulements souterrains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3 Turbulence et frottement 75 1 Mod´ elisation turbulente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 2 Proﬁls de vitesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3 Diagramme de Moody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 3 4 TABLE DES MATI` ERES II HYDRAULIQUE FLUVIALE 105 4 Hydraulique ` a surface libre 107 1 Charge hydraulique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 2 Charge sp´ eciﬁque et impulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 3 Courbes de remous . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 5 Ondes de crues 131 1 ´ Equations de Navier-Stokes ` a surface libre . . . . . . . . . . . 133 2 D´ erivation des ´ equations de Saint-Venant . . . . . . . . . . . . 136 3 Dynamique des ondes de crues . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 6 Intumescences et ressauts 157 1 ´ Equations de Saint-Venant 1D . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 2 Ondes de d´ etente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 3 Ondes de compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 III HYDRODYNAMIQUE MARINE 185 7 Ondes de surface 187 1 G´ en´ eration des ondes de surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 2 Dispersion de la houle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 3 Probl` emes aux conditions initiales . . . . . . . . . . . . . . . . 197 8 R´ efraction de la houle 213 1 Propri´ et´ es des ondes de surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 2 Trac´ e de rayons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 3 Transport de l’´ energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 TABLE DES MATI` ERES 5 9 Seiches et mar´ ees 241 1 Ph´ enom` enes de r´ eﬂexion et de diﬀraction . . . . . . . . . . . . 243 2 Mod´ elisation de la mar´ ee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 3 Ondes d’inertie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 Exercices suppl´ ementaires 273 Licences des ﬁgures 318 Bibliographie 319 Index 321 6 TABLE DES MATI` ERES Avant-propos Cet ouvrage a ´ et´ e d´ evelopp´ e dans le cadre de la troisi` eme ann´ ee de la formation d’ing´ enieur de l’Ecole Polytechnique. Il r´ epond ` a un double objectif : – Explorer plusieurs probl` emes concrets de m´ ecanique des ﬂuides environne- mentale pour en d´ egager des concepts de base utiles pour l’ing´ enieur ou le chercheur. – Assimiler la d´ emarche de mod´ elisation en m´ ecanique des ﬂuides pour com- prendre ou maˆ ıtriser le milieu naturel. L’ouvrage est structur´ e en trois parties et neuf chapitres qui peuvent ˆ etre lus ind´ ependamment les uns des autres. Chaque chapitre se termine par un formulaire r´ ecapitulatif des r´ esultats es- sentiels, une liste des notations ainsi que des exercices corrig´ es permettant d’assimiler le cours. Des exercices suppl´ ementaires sont propos´ es ` a la ﬁn de l’ouvrage. Un certain nombre de documents compl´ ementaires sont disponibles ` a l’adresse ´ electronique suivante : http://thual.perso.enseeiht.fr/see/index.htm 7 8 Avant-propos Introduction L’eau est ` a la base de toute vie sur Terre. La description du cycle de l’eau (voir Figure 1) fait appel ` a de nombreuses disciplines ou sous-disciplines : thermodynamique, physicochimie, biologie, m´ ecanique du solide, sociologie ... et m´ ecanique des ﬂuides. Ce dernier point de vue est abord´ e dans cet ouvrage en privil´ egiant le point de vue de l’hydraulique continentale et cˆ oti` ere. Fig. 1 – Le cycle de l’eau. Sch´ ema USGS. 9 10 Introduction La ﬁgure 1 r´ esume les caract´ eristiques principales du cycle de l’eau. Les grandes lignes de la circulation g´ en´ erale de l’atmosph` ere et des oc´ eans, qui gouvernent au premier ordre le transport de l’eau, sont d´ ecrites dans de nombreux ou- vrages p´ edagogiques (voir par exemple [4]). Au-del` a uploads/Geographie/ 00brief-pdf 1 .pdf