Erosion d'un milieu granulaire par un jet

Erosion of a granular bed by jet

• Auteur / Autrice : Sarah Badr
• Direction : Philippe Gondret, Georges Gauthier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique physique
• Date : Soutenance le 05/12/2014
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Modélisation et Instrumentation en Physique, Energie, Géosciences et Environnement (Orsay, Essonne ; 2010-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Fluides, automatique et systèmes thermiques (Orsay, Essonne ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : François Lusseyran
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Gondret, Georges Gauthier, François Lusseyran, Alexandre Valance, Pierre Philippe, Pierre Jop, José Eduardo Wesfreid
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Alexandre Valance, Pierre Philippe

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrodynamique

Érosion

Cratérisation

Milieux granulaires

Jets -- Fluides, Dynamique des

Mots clés libres

Hydrodynamique

Milieu granulaire

Érosion

Jet

Cratère

Hydrodynamics

Granular matter

Erosion

Jet

Crater

Résumé

Cette thèse consiste en l’étude expérimentale de l’érosion d’un milieu granulaire horizontal par un jet vertical. Dans un premier temps, nous étudions finement le seuil d’érosion. L’injecteur est placé à une distance donnée de l’empilement, et la vitesse débitante du jet est progressivement augmentée jusqu’à l’observation du déplacement des premiers grains à la surface du sédiment. La variation de la distance pour la mesure du seuil conduit le jet à passer par différents régimes d’écoulement, notamment laminaire et turbulent. Une analyse est menée à partir des modèles auto-similaires des jets en régimes laminaire et turbulent, qui prévoient une décroissance de la vitesse axiale en fonction de la distance au point source de l’écoulement appelé origine virtuelle. Il est alors possible d’estimer la vitesse locale au niveau de l’empilement, ce qui permet de montrer que le mécanisme local d’érosion décrit par le nombre de Shields est inertiel et indépendant du régime du jet. Dans un second temps, nous menons une étude sur la morphologie des cratères formés au-delà du seuil d’érosion. A nombre de Shields inertiel croissant, le cratère passe d’une forme entièrement parabolique à une forme plus complexe, composée d’une partie parabolique invariante à l’aplomb du jet et d’une couronne avalancheuse de pente constante sur les flancs. Nous montrons que l’épaisseur de l’empilement n’a pas d’influence sur les caractéristiques des cratères tant que le jet n’atteint pas le support. Lorsque c’est le cas, nous observons alors une troisième forme de cratère composée d’une région centrale sans grains et conservant une partie avalancheuse sur les flancs, raccordée au support par une petite zone parabolique. Nous montrons enfin que les caractéristiques du cratère sont contrôlées par la distance jet-empilement et qu’il est nécessaire de tenir compte de l’écart du nombre de Shields à sa valeur seuil dans cette analyse en fonction de la distance.

The present thesis consists in the experimental study of the erosion of a horizontal granular bed by a vertical jet. In a first part we study in details the erosion threshold. With the injector fixed at a given distance from the granular surface, the mean jet velocity is gradually increased until the displacement of first grains at the bed surface. Depending on the jet-bed distance, different jet flow regimes are observed, from laminar to turbulent. Using self-similar jet models in either laminar or turbulent regimes, which predict the axial velocity decay as a function of the distance from a flow point source called virtual origin, the local velocity at the bed position is estimated, allowing us to show that the local erosion mechanism described by the Shields number is inertial and independent of the jet regime. In a second part, we study the shape of craters formed above erosion threshold. Increasing the Shields number, the crater goes from a shape entirely parabolic to a more complex one with an invariant parabolic region close to the jet axis and a constant avalanching slope further on the side. We show that the bed thickness has no influence on the crater characteristics as long as the jet does not reach the bottom wall. When it does, we observe a third shape for the crater composed of a central flat region without any grains connected to the avalanching crown on the side by a small parabolic crown. We show the crater characteristics are governed by the jet-bed distance and that it is necessary to take into account the difference between the Shields number and its threshold value in this distance analysis.