Le réchauffement climatique croissant, les phénomènes maritimes extrêmes, tels que les houles et les tempêtes, pourraient devenir de plus en plus fréquents et intenses. Le niveau de l’eau augmente également et ceci est d’une importance majeure sur le phénomène de submersion. Cette situation pose un défi majeur pour la protection des zones côtières, où les infrastructures doivent être conçues pour résister à des conditions de plus en plus sévères. L’importance de la protection côtière face aux houles extrêmes sera considérable pour les prochaines décennies, les coûts de la submersion étant estimés à 240 milliards d’euros par an en Europe en 2100.
Augmentation des risques de houles extrêmes et de submersion
Impact du réchauffement climatique
Le réchauffement climatique entraîne assurément l’élévation du niveau des mers et des océans ainsi qu’une augmentation des précipitations, une atmosphère plus chaude de 1°C contenant 7% d’humidité en plus. En présence de tempêtes et d’ouragans, les risques liés aux houles extrêmes sont donc plus importants encore. Les niveaux de la mer montent, les précipitations augmentent, les impacts sur les zones côtières seront donc encore plus dévastateurs dans le futur.
Risques de destruction et conséquences
Les infrastructures côtières sont particulièrement vulnérables aux houles extrêmes. Les dégâts potentiels incluent la destruction de bâtiments, d’infrastructures portuaires et de digues. Les glissements de terrain aussi concourent à la dimension catastrophique et, conjugués avec la submersion, portent atteinte de manière radicale à l’anéantissement des zones d’habitation. La perte de biens et les perturbations des activités économiques locales ont des répercussions durables. Les impacts économiques et sociaux sont donc souvent très significatifs, avec des coûts de reconstruction et de réparation devenant ensuite exorbitants.
Utilisation de la CFD (Computational Fluid Dynamics)
La CFD (Computational Fluid Dynamics) est une technique de simulation numérique utilisée pour analyser les écoulements fluides. Dans le contexte des houles extrêmes, la CFD permet de modéliser et de prédire les interactions complexes entre les vagues et les structures de protection côtière. La simulation numérique permet une bonne compréhension des forces exercées par les houles et une grande variété des paramètres à étudier ce qui conduit à un développement technique économiquement maîtrisé et efficace pour la conception des ouvrages.
Importance de la résolution fine des équations de Navier-Stokes
Utilisation des équations de Navier-Stokes
L’évaluation de l’impact des phénomènes sur les ouvrages nécessitent de se placer à l’échelle fine de l’interaction entre l’eau agitée par la houle, ses forces de pression et de friction. Pour cela, la mise en œuvre d’un modèle numérique décrivant les mouvements du fluide, la géométrie de la structure, la hauteur des vagues et leur période est nécessaire. Parmi les plus fidèles modélisations du fluide, les équations de Navier-Stokes garantissent une très bonne approche des termes de viscosité et de pression, tout en permettant l’intégration de modèles de mélange air-eau ainsi que celle de modèles de turbulence adaptés au régime de l’écoulement. Dans le contexte des houles extrêmes, ces équations permettent donc de simuler avec précision les interactions entre les vagues et les structures de protection côtière.
Importance de la précision dans les simulations hydrodynamiques
La précision dans les simulations hydrodynamiques est cruciale pour estimer les efforts exercés sur les ouvrages de protection ainsi que les échanges air-eau à l’interface où ces deux fluides se mélangent. Nous savons qu’une résolution fine des équations de Navier-Stokes permet de capturer les détails des phénomènes de turbulence et de recirculation, essentiels à la compréhension des impacts sur les structures. Cependant un juste compromis doit être trouvé entre la finesse du calcul, directement lié à la taille des plus petites mailles où sont résolues les équations, et le coût de la simulation dans le cadre du projet.
Compromis entre coût et objectif de la simulation
Une bonne approche économique pour évaluer la tenue d’un ouvrage hydraulique par simulation numérique des équations de Navier-Stokes peut se décrire ainsi :
- Représentation 2D, en deux dimensions, d’une tranche de l’ouvrage et de la houle, de façon similaire aux expérimentations menées en canal à houle.
- Mise à l’échelle de la géométrie et des phénomènes afin de limiter la taille du domaine à simuler.
- Corrélation de cas académiques ou de données d’essais afin de s’assurer du bon comportement de la simulation pour différents types de houles en régime instationnaire.
- Calcul des efforts sur l’ouvrage ainsi que des ses coefficients hydrauliques de transmission, réflexion et dissipation.
Cette démarche peut être intégrée dans un plan d’expérience numérique ayant pour but de développer et d’aboutir au design de la meilleure solution technico-économique.
Quelles solutions pour palier les houles extrêmes ?
Des ouvrages multiples et variés
Un large panel de solutions existe, approprié à la typologie du bord de mer et à celle des phénomènes habituellement rencontrés. On y trouve des solutions classiques comme les digues d’enrochements, les pieux hydrauliques, les récifs artificiels, des solutions plus évolués comme les dispositifs atténuateur de houles et de courants équipés de fentes de Jarlan, et aussi des solutions encore plus ingénieuses comme les digues amovibles contre les submersions marines.
Grâce à la simulation CFD il est possible de repousser les limites de la conception des futurs ouvrages de protection en incorporant notamment les impacts de situations futures où le niveau de mer aura encore augmenté. La détermination des contraintes extrêmes sur les structures permet ainsi de les dimensionner avec le facteur de sécurité adéquat pour garantir longévité et sécurité sur plusieurs décennies.
