Structure de l’écoulement tridimensionnel, turbulence et contrainte de cisaillement dans une boucle de méandre Three-dimensional flow structure, turbulence and bed shear stress in a meander loop.

Résumé

Plusieurs facteurs contribuent à l’instabilité des berges dans les méandres, mais le rôle joué par la dynamique de l’écoulement complexe au sein de ces sites n’est pas clairement élucidé. L’objectif de cette recherche est d’examiner la dynamique de l’écoulement tridimensionnel (3D) d’une boucle de méandre en vue de déterminer les liens entre la structure de l’écoulement moyen et turbulent, la contrainte de cisaillement et l’érosion des berges. Des données de vitesse 3D ont été recueillies dans une boucle de méandre avec un vélocimètre acoustique Doppler (ADV) et un profileur acoustique Doppler conçu pour les rivières peu profondes (PC-ADP). Une comparaison entre ces deux appareils a révélé que le PC-ADP donne de bons estimés de vitesse moyenne dans un écoulement relativement simple (au centre du chenal), mais le problème de moyennage spatial le rend moins efficace dans un plan de mélange où l’écoulement est plus complexe. L’ADV est aussi supérieur au PC-ADP pour les estimés de contrainte de cisaillement et l’étude de la turbulence à petite échelle, mais ce dernier révèle mieux les patrons à grande échelle. Deux cellules d’écoulement secondaire dans le méandre ressortent nettement avec les mesures simultanées du PC-ADP. Les maxima de contrainte de cisaillement mesurée avec l’ADV par la méthode d’énergie turbulente cinétique sont situés à l’entrée du méandre lorsque le niveau est plus bas, et à la sortie du méandre lorsque le niveau augmente. Ces deux zones correspondent à des observations de décrochement de berge au site d’étude.

Abstract

Many factors contribute to bank instability in meanders, but the exact role played by the complex flow dynamics is not very well understood. The objective of this research is to examine the three-dimensional (3D) flow dynamics in a meander loop to determine the links between the mean and turbulent flow structure, and bank erosion. 3D velocity data were collected in a meander loop with an acoustic Doppler velocimeter (ADV) and a pulse-coherent acoustic Doppler profiler (PC-ADP). A comparison between these two devices revealed that the PC-ADP provides accurate estimates of mean velocity in a relatively simple flow (in the centre of the channel), but that it is less efficient in a complex flow field with a mixing zone due to spatial averaging problems. The ADV is also better than the PC-ADP for bed shear stress estimates and for small-scale turbulence studies, but the latter reveals large-scale structures efficiently. Two secondary cells in the meander loop are clearly seen from the simultaneous PC-ADP measurements. The maximum values of bed shear stress measured with the ADV with the turbulent kinetic energy method are located at the meander entrance when flow stage is low, and at the meander exit when flow stage increases. These two zones correspond to observations of bank failure events at the field site.