Modélisation des écoulements hydrauliques dans un canal à surface libre

Les recherches ont récemment démontré que la majorité des microorganismes vivent en communautés complexes et dynamiques adhérants à des surfaces humides. Ces communautés microbiennes, appelées biofilms, sont capables de se développer sur une multitude de surfaces différentes, quelles soient artificielles ou naturelles. La grande surface spécifique des sédiments des cours d’eau offre, par exemple, un habitacle idéal pour la prolifération de microorganismes très diversifiés qui, combinés avec le flux dynamique des eaux, génèrent des biofilms dotés de structures complexes et variées ayant une implication directe dans de nombreux processus écosystémiques. Le mode de développement des biofilms est encore mal connu mais de nombreuses études ont démontré que les conditions du milieu, et plus particulièrement les conditions hydrodynamiques, ont une réelle influence sur leur développement morphologique. Le travail de thèse d’Anna Depetris, assistante-doctorante du laboratoire de recherche en biofilm et écosystème fluviaux (SBER) à l’EPFL, s’attarde sur ce sujet en tentant de comprendre comment les biofilms d’eau douce se développent sous l’influence de conditions hydrauliques imposées par la contraction progressive d’un canal à surface libre. Ce travail de master s’intéresse à étudier l’hydraulique de du canal ouvert utilisée par Anna Depetris dans le but d’apporter des éléments de réponses aux questions suivantes : Quelle est la distribution de la vitesse d’écoulement et des contraintes de cisaillement dans la contraction du canal ? Quelle est l’épaisseur de la couche limite et de la sous-couche visqueuse où se développent les biofilms ? Le choix d’un modèle de turbulence adapté ainsi que le maillage adéquat du domaine de modélisation aura permis de simuler les écoulements turbulents évoluant dans le canal. Au vu de la bonne convergence des résultats de simulation, leur exploitation et leur analyse est possible. La visualisation des résultats permet de constater que la contraction du canal engendre une augmentation de la vitesse d’écoulement dans le plan vertical et horizontal. Cette augmentation de la vitesse induit également une augmentation des contraintes de cisaillement appliquées sur le lit du canal ce qui a pour conséquence de réduire l’épaisseur de la couche limite et de la sous-couche visqueuse, zone où se développent les biofilms. La topologie des biofilms semble alors fortement corrélée avec l’élévation de la sous-couche visqueuse car il est constaté qu’une diminution de l’élévation de la sous-couche visqueuse s’accompagne d’une diminution de la hauteur des biofilms avec un ordre de grandeur similaire. Ainsi, d’une manière générale, ce travail de master participe modestement a apporter une meilleure compréhension des couplages existants entre hydrodynamique et dynamique de développement des biofilms.