Étude expérimentale et modélisation du transport sédimentaire en régime de sheet-flow.
Encadrant
M Eric Barthélémy,
Professeur des universités, Grenoble-INP, Co-directeur de thèse
M Julien Chauchat,
Maître de conférence, Grenoble-INP, Co-directeur de thèse
M David Hurther,
Chargé de recherche, CNRS, Collaborateur
Résumé
Le transport sédimentaire contrôle l’évolution morphologique des rivières,
l’érosion du littoral et l’équilibre des écosystèmes. Il constitue également un facteur de risque pour les populations et les infrastructures. Le sheet-flow, ou charriage intense, est un régime de transport sédimentaire qui s’établi lors de crues dans les fleuves et les rivières ou lors du déferlement des vagues littorales sur les plages sableuses. Le fort taux de transport associé à ce régime le rend très morphogène et une bonne compréhension
des processus physiques impliqués est fondamentale pour prédire la morphodynamique. Cependant, les interactions granulaires et les fluctuations turbulentes, qui sont les principaux mécanismes à l’œuvre dans ce phénomène, constituent des verrous scientifiques pour la modélisation du régime de sheet-flow. Cette déficience s’explique essentiellement par le manque de données expérimentales haute résolution. Partant de ce constat, l’objectif de la thèse est de proposer un modèle diphasique et un dispositif expérimental haute résolution permettant de mieux caractériser les mécanismes impliqués.
Dans un premier temps, le modèle diphasique est présenté et les résultats obtenus sont confrontés aux données de la littérature. L’analyse des résultats montre que la rhéologie des écoulements granulaires denses (μ(I)/φ(I)) et l’approche de longueur de mélange utilisées sont des fermetures appropriées pour reproduire les principales caractéristiques du régime de sheet-flow pour une large gamme d’écoulements et de propriétés sédimentaires. La deuxième partie de la thèse est consacrée à la mise en place d’un dispositif expérimental capable de fournir des mesures instantanées de vitesse et de concentration en régime de sheet-flow uniforme. Dans la troisième partie les grandeurs moyennes sont analysées pour décrire la structure verticale de l’écoulement. Les résultats obtenus montrent qu’une formulation en longueur de mélange et un profil de Rouse permettent de décrire la contrainte turbulente et le profil de concentration dans la suspension à condition de fortement modifier le paramètre de von Karman (κ ≈ 0.2) et le nombre de Schmidt (σs = 0.44). La rhéologie frictionnelle (μ(I)/φ(I)) et la théorie cinétique des écoulements granulaires prédisent qualitativement le comportement observé, mais échoue à reproduire quantitativement les mesures. Le lien étroit existant entre les structures cohérentes turbulentes et la dynamique du lit sédimentaire illustre l’importance des fluctuations et de l’intermittence de l’écoulement. Ce couplage pourrait expliquer l’écart observé entre le comportement prédit par les modèles de contraintes inter-granulaires et les mesures expérimentales. Finalement, la comparaison des analyses statistiques en régime de sheet-flow et en écoulement sur fond fixe rugueux permet de montrer que l’énergie cinétique turbulente est peu affectée par la présence des sédiments mais que le niveau de corrélation entre fluctuations horizontales et verticales est sensiblement diminué, impliquant une diminution de la longueur de mélange et de la viscosité turbulente. Une augmentation significative de la rugosité équivalente induite par le lit mobile est aussi observée.
Mots-clés
Transport sédimentaire, sheet-flow, écoulement diphasique, rhéologie granulaire, turbulence, profileurs acoustiques, ACVP, constante de Von Karman, nombre de Schmidt.