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Theses Year : 2005

Couplage entre la dynamique du vent et le mouvement d'un couvert végétal

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Abstract

Wind fluctuations over plant canopies are governed by a mixing layer (or Kelvin-Helmholtz) type instability,
linked to the inflection of the mean wind profile at the top of the canopy. Here the coupling between wind dynamics and the waving of crop canopies under wind is explored.

A new experimental technique is developped for on-site measurements of the spatio-temporal motion of a crop canopy. The wind-induced motion of wheat or alfalfa
canopies is video-recorded. An image correlation technique, based on PIV algorithms (Particle Image Velocimetry), then allows to derive the bi-dimensional spatio-temporal velocity field of the canopy surface. The coherent part of the motion is extracted by a
bi-orthogonal decomposition of the velocity field. It is shown that the corresponding space and time
features cannot be explained using predictions from the mixing layer analogy of wind above canopies, which is the most common model in this environment. We demonstrate that the plants dynamics, via their natural vibration frequency, plays an important role in the frequency and wavelength selection for the coherent motion of the canopy.

A fully-coupled model, where wind fluctuations and canopy motion interact through a drag term, is then proposed. A linear stability analysis allows to emonstrate a lock-in mechanism, whereby the frequency of the instability deviates from the Kelvin-Helmholtz law and locks on the natural frequency of the plants. This finding is then compared to the experimental results from on-site measurements, and good agreement, in both frequency and wavelength of the propagating patterns observed on the canopy surface, is shown.
Les fluctuations dominantes du vent au-dessus des couverts végétaux sont régies par une instabilité de type couche de mélange (ou Kelvin-Helmholtz), liée à l'inflexion du profil devent moyen au niveau du sommet du couvert. La thèse porte sur l'analyse du couplage
entre la dynamique du vent et l'ondulation des cultures sous le vent.

Une technique expérimentale innovante a été développée pour mesurer, sur site et de manière non-intrusive, le mouvement global d'une culture. Le mouvement d'un champ de blé ou de luzerne est filmé en présence de vent. Puis, par une analyse de corrélation entre images, fondée sur des algorithmes de PIV (Particle Image Velocimetry), on en déduit le champ de vitesse bi-dimensionnel spatio-temporel de la surface du couvert végétal. La partie cohérente du mouvement est ensuite extraite à l'aide d'une décomposition bi-orthogonale du champ de vitesse. On montre que les propriétés spatiales et temporelles correspondantes ne peuvent s'expliquer à l'aide du modèle de la couche de mélange du vent, qui constitue l'approche la plus courante dans ce contexte. En particulier, on démontre le rôle de la dynamique des plantes, à travers leur fréquence propre, dans la sélection de fréquence et de longueur d'onde du mouvement cohérent du couvert végétal.

Un modèle couplé, dans lequel les fluctuations du vent et le mouvement du couvert végétal interagissent à travers un terme de traînée est ensuite proposé. Une analyse de stabilité linéaire permet de mettre en évidence un mécanisme d'accrochage, par lequel la fréquence de l'instabilité dévie de la loi de Kelvin-Helmholtz et s'accroche sur la fréquence propre des plantes. Ce résultat est ensuite comparé avec les donnnées expérimentales des mesures sur site, et un bon accord qualitatif et quantitatif est obtenu avec le comportement des longueurs d'onde et fréquences de l'ondulation des cultures.
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Dates and versions

tel-00011511 , version 1 (01-02-2006)

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  • HAL Id : tel-00011511 , version 1

Cite

Charlotte Py. Couplage entre la dynamique du vent et le mouvement d'un couvert végétal. Dynamique des Fluides [physics.flu-dyn]. Ecole Polytechnique X, 2005. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00011511⟩
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