Si vous avez déjà observé de près une dune de sable ou de sédiments en 3D dans une rivière ou une zone côtière, vous êtes-vous demandé comment il s'est formé?

Après avoir constaté à quel point la construction de barrages modifie de manière significative l'hydrodynamique des cours d'eau naturels et l'évolution du lit des cours d'eau en aval qui en résulte, un groupe de chercheurs de l'université Tsinghua en Chine a décidé d'appliquer des simulations numériques pour aider à déterminer ce qui est en jeu dans la relation entre le mouvement des sédiments et les conditions d'écoulement. Ils rapportent leurs conclusions dans Physique des fluides .

Le travail du groupe a été inspiré en partie par l'impact du barrage des Trois Gorges, qui est un barrage-poids hydroélectrique qui enjambe le fleuve Yangtze. Depuis sa construction en 2003, 11,7 kilomètres (7,2 milles) de lit de rivière plat en aval dans l'estuaire du Yangtsé ont été observés en train de se transformer en formes de lit de dunes - des caractéristiques qui se forment à la suite du déplacement des matériaux du lit de la rivière par l'écoulement des fluides.

« Cette évolution de la morphologie du lit menaçait la sécurité de la navigation et la stabilité des digues fluviales, parce que le mécanisme de formation des dunes de sédiments était inconnu, " dit Hongwei Fang, professeur à l'université Tsinghua.

Les chercheurs ont entrepris de simuler avec précision l'écoulement entièrement turbulent près du lit de la rivière et de le relier au mouvement des particules de sédiments.

« Nous avons utilisé une technologie de simulation à grande échelle pour obtenir un champ d'écoulement instantané précis à proximité du lit, calculer les contraintes de cisaillement agissant sur les particules de sédiments et, finalement, simuler l'évolution du lit de la rivière, " dit Croc.

En utilisant la visualisation et l'analyse des spectres de puissance, les chercheurs ont pu caractériser la formation des dunes sédimentaires en trois étapes distinctes et montrer clairement le mécanisme responsable de chacune.

« L'interaction entre l'écoulement à proximité du lit et les particules de sédiments a été rigoureusement étudiée, mais ce qui se passait n'était toujours pas clair, " a déclaré Fang. " Le diviser en trois étapes nous a aidés à clarifier ce processus. "

« Les défauts initiaux qui apparaissent sur le lit en début de procédé sont étroitement liés à la vitesse d'écoulement instantanée juste avant la déstabilisation du lit, " a-t-il dit. " Nous avons également découvert que les défauts avec une vitesse d'écoulement instantanée élevée sont emportés, tandis que les défauts à faible vitesse instantanée reçoivent des dépôts de sédiments et augmentent en longueur et en hauteur. Et, plus loin, une zone de sillage constant se forme en aval des micro-ondes de sable, où les sédiments s'accumulent.

En ce qui concerne les candidatures, ce travail "aidera à prédire l'évolution de la morphologie du lit des rivières - comment il se forme et change - au sein des rivières naturelles, " dit Fang. " Et cela permettra de prévenir les dangers potentiels, comme une rupture de berge ou l'échouage d'un navire."

Prochain, le groupe explorera les méandres de la rivière, qui constitue une menace sérieuse pour les rivières avec barrages.

"Avec notre succès à simuler l'évolution des lits des rivières, nous sommes confiants de révéler le mécanisme des méandres de la rivière, ce qui est très important dans la construction de digues fluviales, gestion des rivières lacustres et protection des habitats aquatiques, " dit Croc.