Motion and interaction of a set of particles in a supercritical flow

par Tobias Böhm

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides

Sous la direction de Jean-Luc Reboud, Christophe Ancey et de Philippe Frey.

Soutenue en 2005

à l'Université Joseph Fourier (Grenoble ; 1971-2015) .

mots clés

Résumé

Le transport solide par charriage dans les cours d'eau est un problème de longue date dans l'étude des écoulement biphasiques. Les processus physiques impliqués sont en effet mal compris et complexes. Nous présentons une étude expérimentale du mouvement de billes de verre sphériques grossières. Elles étaient entraînées dans un mouvement quasi-bidimensionnel par un écoulement d'eau turbulent peu profond dans un canal à forte pente sur un lit mobile. Nous avons étudié le cas de l'équilibre du transport solide, c'est-à-dire qu'il n'y avait ni érosion ni dépôt de particules sur des intervalles de temps suffisamment longs. Les écoulements ont été filmés par le côté avec une caméra rapide. L'utilisation d'un logiciel de traitement d'images a permis de déterminer les caractéristiques des écoulements comme les trajectoires des particules, leur état de mouvement (arrêt. Roulement ou saltation) et la hauteur d'eau. Le premier résultat frappant de nos expériences est que, sur des périodes de temps courtes, le transport par charriage apparaît comme un processus très intermittent. Les grandes fluctuations du débit solide résultent essentiellement de l'arrangement dans le lit mobile de particules. Alors que, pour des pentes modérées, les particules sont principalement transportées en saltation, le régime de roulement est prédominant pour des pentes fortes.

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Titre traduit

Mouvement et interaction d'un ensemble de particules dans un écoulement supercritique

Résumé

Bed load transport in watercourses is a longstanding problem in the mechanics of two-phase flows because the physical processes involved are poorly known or overly complicated. The motion of coarse, spherical glass beads entrained by a shallow turbulent water flow down a steep two-dimen\-sional channel with a mobile bed was experimentally investigated. The study focused on bed load equilibrium flows, that is, neither erosion nor deposition of particJes over sufficiently long time intervals occurred. Flows were filmed from the side using a high-speed camera. Image-processing software made it possible to determine the flow characteristics such as particJe trajectories, their state of motion (rest, rolling, or saltating motion), and flow depth. The first striking result of our experiments was that, over short time periods, bed load transport appeared as a very intermittent process. The large solid-discharge fluctuations resulted essentially trom arrangement in the mobile particJe bed. Whereas for moderate slopes particJes were mainly transported in saltation, the rolling regime was dominant for steep slopes.