Modeling reconfiguration strategies in plants submitted to flow
Modèles de stratégies de reconfiguration dans les plantes soumises à un écoulement
Résumé
Terrestrial plants and aquatic vegetation are submitted to a strong interaction with the external fluid flow. In order to overcome the flow-induced loads, plants reconfigure: flow induces geometrical changes, thereby reducing the loads. This thesis presents a simple theoretical framework for modeling and understanding reconfiguration strategies, by deformation and breakage. It is shown that trees will undergo flow-induced pruning, which is an efficient survival strategy under important flow velocities. In the general case involving both deformation and breakage, reconfiguration is found to follow a two-step process, first elastic reconfiguration, and then brittle reconfiguration. We obtain therefore a general characterization of reconfiguration strategies in plants, depending on their physical parameters. A homogenized model is then developed in order to generalize the computation of reconfiguration of ramified systems under flow. According to this model, a branched system is represented by a bundle of fibers. The continuous formulation of this problem allows for coupling with the fluid equations, and provides new perspectives for the study of ramified systems in general.
La végétation terrestre et aquatique est soumise à une interaction forte avec l'écoulement du fluide environnant. Afin de surmonter les efforts fluides, les plantes se reconfigurent : l'écoulement provoque un changement de géométrie qui induit une réduction des efforts. Cette thèse présente un cadre théorique simple pour modéliser et comprendre les stratégies de reconfiguration par rupture et déformation. Il est montré dans ce travail que les arbres vont subir un élagage induit par le vent, ce qui constitue une stratégie de survie efficace face à des écoulements importants. Dans le cas général impliquant des déformations et de la rupture, on montre que la reconfiguration est un processus en deux temps, d'abord par reconfiguration élastique, puis par reconfiguration fragile. On obtient ainsi une caractérisation globale des stratégies de reconfiguration de plantes en fonction de leurs paramètres physiques. Un modèle homogénéisé est ensuite développé afin de généraliser le calcul de la reconfiguration de systèmes ramifiés sous écoulement. Avec ce modèle, un système ramifié est représenté par un ensemble de fibres. La formulation volumique du problème permet ainsi un couplage avec les équations du fluide, et ouvre des perspectives nouvelles pour l'étude des systèmes ramifiés en général.
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