Article de recherche / Research Article

Bulk drag coefficient of a subaquatic vegetation subjected to irregular waves: Influence of Reynolds and Keulegan-Carpenter numbers

Coefficient de traînée global dû à la présence d'une végétation aquatique soumise à des vagues irrégulières : influence des nombres de Reynolds et Keulegan-Carpenter

¹ Saint-Venant Hydraulics Laboratory, Joint Research Unit EDF – CEREMA – École des Ponts ParisTech, 78401 Chatou, France
² Laboratoire National d'Hydraulique et Environnement, EDF R & D, 78401 Chatou, France

^* Correspondence: thibault.chastel@enpc.fr

Received: 12 July 2017
Accepted: 3 April 2020

Abstract

Seagrass meadows are essential for protection of coastal erosion by damping wave and stabilizing the seabed. Seagrass are considered as a source of water resistance which modifies strongly the wave dynamics. As a part of EDF R & D seagrass restoration project in the Berre lagoon, we quantify the wave attenuation due to artificial vegetation distributed in a flume. Experiments have been conducted at Saint-Venant Hydraulics Laboratory wave flume (Chatou, France). We measure the wave damping with 13 resistive waves gauges along a distance L = 22.5 m for the “low” density and L = 12.15 m for the “high” density of vegetation mimics. A JONSWAP spectrum is used for the generation of irregular waves with significant wave height H_s ranging from 0.10 to 0.23 m and peak period T_p ranging from 1 to 3 s. Artificial vegetation is a model of Posidonia oceanica seagrass species represented by slightly flexible polypropylene shoots with 8 artificial leaves of 0.28 and 0.16 m height. Different hydrodynamics conditions (H_s, T_p, water depth h_w) and geometrical parameters (submergence ratio α, shoot density N) have been tested to see their influence on wave attenuation. For a high submergence ratio (typically 0.7), the wave attenuation can reach 67% of the incident wave height whereas for a low submergence ratio (< 0.2) the wave attenuation is negligible. From each experiment, a bulk drag coefficient has been extracted following the energy dissipation model for irregular non-breaking waves developed by Mendez and Losada (2004). This model, based on the assumption that the energy loss over the species meadow is essentially due to the drag force, takes into account both wave and vegetation parameter. Finally, we found an empirical relationship for C_d depending on 2 dimensionless parameters: the Reynolds and Keulegan-Carpenter numbers. These relationships are compared with other similar studies.

Résumé

Les herbiers marins sont essentiels dans la prévention d'érosion côtière en jouant un rôle d'amortisseur de vagues et de stabilisateur de fonds marin. En effet, ces herbiers offrent une résistance à l'écoulement qui modifie la dynamique des vagues et diminuent leur amplitude. Dans le cadre du projet d'EDF R & D de restauration des herbiers aquatiques dans l'étang de Berre nous quantifions l'atténuation des vagues due à la présence d'un herbier artificiel disposé au fond d'un canal hydraulique. Les expériences ont été conduites au Laboratoire d'Hydraulique Saint-Venant (Chatou, France). L'amortissement des vagues est mesuré à l'aide de 13 capteurs par capacitance disposés sur une longueur L = 22.5 m ou L = 12.15 m selon la densité de végétation choisie. La végétation artificielle est un modèle de Posidonia oceanica représenté par des tiges en polypropylène légèrement flexibles regroupées en 8 feuilles artificielles. Un spectre de type JONSWAP a été choisi pour la génération de vagues irrégulières avec des hauteurs significatives variant entre 0.10 et 0.23 m et des périodes de pic variant entre 1 et 3 s. Différentes conditions hydrodynamiques (H_s, T_p, hauteur d'eau h_w) et géométriques (rapport d'immersion, densité des tiges) ont été testées pour voir leurs influences sur l'amortissement. Lorsque le rapport d'immersion est grand (typiquement > 0.7) l'amortissement peut représenter une diminution de 67 % de la hauteur de vague incidente. Pour chaque expérience, un coefficient de traînée global C_d de la canopée artificielle a été extrait à partir d'un modèle de dissipation d'énergie développée par Mendez et Losada (2004) pour des vagues irrégulières non déferlantes à fond plat. Une des hypothèses de ce modèle est que l'énergie perdue à travers l'herbier est essentiellement due à une force de traînée. Le modèle prend en compte les paramètres de vagues et les paramètres géométriques de la végétation. Finalement, nous présentons 2 relations empiriques pour le coefficient Cd qui dépend en particulier de 2 nombres adimensionnels : le nombre de Reynolds et le nombre de Keulegan-Carpenter. Ces 2 relations sont comparées avec d'autres études similaires.