La physique des cascades expliquée

Les chutes d’eau ne sont pas uniquement des paysages impressionnants et captivants, ce sont aussi des objets d’étude scientifique fascinants.

Jean-Philippe Matas, chercheur au Laboratoire de mécanique des fluides et acoustique (LMFA - CNRS/?cole centrale Lyon/INSA Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1) dévoile la physique des cascades dans l’émission E=M6 qui sera diffusée dimanche 10 septembre.

Professeur de mécanique des fluides à l’Université Claude Bernard Lyon 1, il s’intéresse en particulier à ce qu’il se passe en fin de chute d’eau, en étudiant par exemple la vitesse de l’eau lorsqu’elle s’écrase à la surface.

Contrairement à ce que l’on pourrait penser, ce n’est pas dans les chutes d’eau les plus hautes que l’on observe les plus fortes vitesses.

Ce phénomène s’explique notamment par ce qu’il se passe en fin de chute. ? L’eau se fragmente en gouttelettes au cours de sa chute. Plus la hauteur de chute est grande et plus ces gouttes seront fines. Or plus ces gouttes sont fines et plus la vitesse limite atteinte par l’eau diminue ?, explique le chercheur. Autrement dit, ce qu’il se passe par exemple en bas de la cascade de l’Arpenaz en Savoie (270 m de haut) est plut?t semblable à de l’eau de pluie, tandis qu’en bas des chutes du Niagara (100 m de haut), certaines gouttes d’eau peuvent atteindre jusqu’à 80 km/h.

Mais ce qui se produit sous la surface intéresse encore plus Jean-Philippe Matas, spécialiste au LMFA des milieux diphasiques. Car l'eau qui s'écrase en bas d’une cascade génère sous la surface des nuages de bulles provoquant l’érosion du bassin.

Or, les bassins abritant des infrastructures hydroélectriques comme les barrages sont exposés à cette érosion, ce qui peut avoir un impact direct sur le fonctionnement et les performances des turbines.

? Comprendre la capacité d'un jet plongeant à entra?ner de l'air au-dessus et à travers la surface libre d’un bassin d'eau qu'il impacte, ainsi que sa dynamique sous la surface est un problème fondamental, mais avec derrière un enjeu clair : parvenir à une ingénierie fiable des ressources en eaux ?, résume Jean-Philippe Matas.

Au sein du LMFA, des chercheurs ont ainsi reproduit un nuage de bulles créé par un jet plongeant pour pouvoir mieux comprendre ce phénomène. Ce travail a été réalisé par Narendra Dev, Joseph John Soundar Jer?me, Hélène Scolan et Jean-Philippe Matas de l’équipe EM3 dans le cadre du projet ANR JetPlume, en partenariat avec EDF, et en collaboration avec le Laboratoire des ?coulements Géophysiques et Industriels (LEGI) de Grenoble, et le Complexe de Recherche Interprofessionnel en Aérothermochimie (CORIA) à Rouen.
 

Observation d'un nuage de bulles créées par un jet plongeant. La taille et la forme du nuage varient en fonction de la taille du jet. ? JP Matas