Influence de quelques obstacles simples sur l'écoulement dans un " ruisseau" expérimental

Influence of some simple obstacles on the flow of water in an experimental "stream"

Die wirkung einiger einfacher hindernisse auf die strömung in einem "versuchsbach"

Institut de Mécanique des Fluides et Laboratoire d'Hydrobiologie (Equipe de Recherche Associée au C.N.R.S.) 118, route de Narbonne, 31 - Toulouse

Résumé

Dans une installation d'essai, l'écoulement a été observé en présence d'obstacles simples, pour des vitesses moyennes variant de 1 à 100 cm/s. La technique utilisée a été la chronophotographie de particules d'aluminium en suspension dans l'écoulement. Ce procédé de visualisation a permis d'établir le tracé des lignes de courant et de connaître les valeurs des vitesses en des points précis. La valeur des pressions et l'amplitude des variations de pression ont été mesurées sur le fond du canal d'essai.

1. - L'évolution de l'écoulement a été observée à l'amont et à l'aval des obstacles en fonction de l'accroissement de la vitesse moyenne. Aux vitesses moyennes faibles, on observe un petit rouleau stable en aval des obstacles. Le mouvement est plus lent qu'en pleine eau. Avec l'augmentation des vitesses moyennes, à ce mouvement moyen se superpose une agitation de plus en plus importante des particules. Cette agitation traduit l'existence d'une turbulence qui devient intense aux vitesses moyennes élevées. L'instabilité du point d'attachement du rouleau entraîne l'existence de battements. Un petit rouleau évolue de façon semblable à la face amont de certains obstacles.

2. - En aval des obstacles, la longueur d'attachement du rouleau est très réduite pour des vitesses moyennes faibles. Cette longueur augmente ensuite très rapidement avec l'accroissement de la vitesse moyenne et le rouleau devient très long. L'attachement du rouleau se rapproche ensuite de l'obstacle et demeure relativement stable aux vitesses moyennes supérieures.

3. - Le rouleau aval est le plus stable pour des obstacles à arêtes vives et à face amont normale au courant. En présence d'obstacles mieux profilés, et surtout en présence d'une rampe, l'instabilité de l'écoulement est plus grande que pour les autres obstacles.

4. - Les échanges entre les rouleaux et l'écoulement général sont très réduits pour les vitesses moyennes faibles. Ils deviennent de plus en plus importants au fur et à mesure de l'augmentation des vitesses moyennes.

5. - Les variations de pression ont été enregistrées en plusieurs points du fond du canal. L'amplitude maximale des variations de pression correspond à la zone d'attachement du rouleau aval. A l'abri de l'obstacle, les oscillations sont les plus faibles sur la face aval. Sur la face amont, les variations de pression peuvent être différentes suivant la stabilité de l'écoulement au point de décollement et suivant le relief de l'obstacle.

6. - L'agitation qui règne dans les "eaux mortes" pour des vitesses moyennes élevées peut se traduire par les variations de pression. L'étude de ces variations de pression dans le temps devrait permettre une meilleure connaissance des conditions de vie au niveau même de la faune benthique.

Abstract

The flow of water was observed in an apparatus in the presence of simple obstacles for average speeds varying from 1 to 100 cm/s. The technique used was the chronophotography of aluminium particles in suspension in the flow. This visualisation process enabled us to establish the direction of the current and to discover the values of the speeds at specific points. The values of the pressures and the extent of the variations of pressure were measured along the bottom of the glass channel.

1. - The development of the flow was observed upstream and downstream of the obstacles as the average speed was increased. When the average speed was low, a small stable eddy was observed behind the obstacles. The movement was slower than in the main stream. When the average speeds were increased, the movement of the particles became more and more noticeable. This movement indicated the existence of a turbulence which became intense when the average speeds were high. The instability of the eddies created pulsations. The tiny eddies evolved in the same way upstream from certain obstacles.

2. - Downstream from the obstacles the length of the eddy was very slight when the average speeds were low. This length increased very rapidly as the average was increased and the eddies became very long. The eddies drew near the obstacles and remained relatively stable at higher average speeds.

3. - The eddy was not stable when the obstacles had sharp edges and when their front was not perpendicular to the current. In the presence of more evenly shaped obstacles, and especially in the presence of an incline, the instability of the flow was greater than for the other obstacles.

4. - The movement of particles between the eddies and the main stream were extremely low when the average speeds were low. They became more important as the average speeds were increased.

5. - The changes of pressure were recorded at several points at the bottom of the channel. The maximum extent of the pressure changes was calculated at the end of the downstream eddy. The oscillations were at their weakest on the downstream side of the obstacles. On the upstream side, the changes of pressure varied with the stability of the flow when it met the obstacle and with the shape of the obstacle.

6. - The agitation which is present in "dead waters" when the average speeds are high can be seen to take place when there are pressure variations. The study of the way this pressure varies with time should lead to a better knowledge of the conditions of life at the level of benthic fauna.

Zusammenfassung

In einer Versuchseinrichtung ist die Strömung bei verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten, von 1-100 cm/s in Gegenwart von einfachen Hindernissen beobachtet worden. Es wurde nach der chronophotographischen Methode mit Aluminiumschnitzeln, die in der Strömung in Suspension gehalten werden, gearbeitet. Dieses Verfahren zur Sichtbarmachung hat es ermöglicht, den Verlauf der Strömungslinie und die Geschwingkeitswerte am ganz bestimmten Punkten zu ermitteln. Der Wert für die Drucke und die Amplitude der Druckunterschiede wurden auf dem Boden des Versuchskanals gemessen.

1. - Die Strömungsentwicklung wurde vor und hinter den Hindernissen in Abhängigkeit von der zunehmenden mittleren Geschwindigkeit gemessen. Bei geringen mittleren Geschwindigkeiten beobachtet man eine kleine beständige Walze hinter den Hinternisse. Die Bewegung ist hier langsamer als in der Haupt-strömung mit zunehmender mittlerer Geschwindigkeit wird diese mittlere Bewegung von einer immer stärkere Unruhe der Partikel überlagert. Diese Unruhe ist das Zeichen für das Vorhandensein einer Turbulenz, die bei hohen mittleren Geschwindigkeites besonders intensiv ist. Die Unbeständigkeit des Unteren Endes der Walze bedingt die Bildung von Wirbeln. In ähnlicher Weise entsteht auch eine kleine Walze an der Vorderseite von gewissen Hndernissen.

2. - Hinter den Hindernissen ist die Länge der Walze bei geringen mittleren Geschwindigkeiten sehr klein. Mit der Zunahme der mittleren Geschwindigkeit wird die Walze dann sehr schnell in die Länge gezogen. Danach wird die Walze wieder kürzer; sie bleibt relativ konstant bei höheren mittleren Geschwindigkeiten.

3. - Die hintere Walze ist am beständigten bei Hindernissen mit scharfen Kanten die quer zur Strömung stehen. Bei allen anderen Hindernissen und vor allem im Falle einer schiefen Ebene, deren Hang die Vorderseite des Hindernisses bildet, ist die Unbeständigkeit der Strömung viel grösser.

4. - Der Austausch von den Walzen zur Hauptströmung ist bei kleinen mittleren Geschwindigkeiten sehr gering. In dem Masse in dem die mittleren Geschwindigkeiten zunehmen wird er immer bedeutender.

5. - An mehrenren Stellen am Boden des Kanals wurden die Druckschwankungen aufgezeichnet. Die maximale Amplitude der Druckschwankungen befindet sich am unteren Ende der hinteren Walze. Von allen Punkten in unmittelbarer Umgebung des Hindernisses, sind die Oszillationen an der Leeseite am schwächsten. An der Vorderscite können die Druckschwankungen je nach der Strömungbeständigkeit am Scheitelpunkt und je nach dem Relief des Hindernisses verschieden sein.

6. - Die Unruhe, die sich in den "Totwässern" bei hohen mittleren Geschwindigkeiten bemerkbar macht, kann durch die Druckschwankungen dargestellt werden. Die Untersuchung der Druckschwankungen in Abhängigkeit von der Zeit dürfte eine bessere Kenntnis der Lebensbedingungen im eigentlichen Lebensbereich des Benthos ermöglichen.