Étude couplée rhéométrie-hydrodynamique et application à l'érodabilité locale d'un sédiment cohésif modèle

Résumé

Les problèmes associés au transport sédimentaire sont l'une des préoccupations majeures de notre société, tant d'un point de vue environnemental qu'économique. Nous disposons de peu d'informations sur la dynamique locale des phénomènes d'érosion et plus particulièrement pour les sédiments cohésifs. Dans cette étude, nous nous focalisons sur les phénomènes locaux agissant à l'interface eau-sédiment. Tout d'abord, un sédiment modèle transparent est réalisé en nous basant sur les propriétés rhéologiques des sédiments naturels. Pour cela, différents mélanges, à base de Laponite et de carboxyméthylcellulose, sont testés en faisant varier la concentration et le mode de fabrication. Les protocoles de mesures sont alors établis et une loi d'évolution des propriétés en fonction de la concentration en sédiment est déterminée. Puis, la qualification de la veine hydraulique de l'étude, sans présence de sédiment, est réalisée par des mesures optiques PIV. L'obtention des champs de vitesse moyens et instantanés nous a permis de calculer l'énergie cinétique turbulente ainsi que les contraintes laminaires et turbulentes agissant sur le fond. Enfin, des mesures similaires sont effectuées dans le canal en présence de sédiment pour des cas où le sédiment est entraîné ou non par les forces hydrodynamiques. L'accès à l’énergie cinétique turbulente ainsi qu'aux contraintes laminaires et turbulentes hydrodynamiques permet de comprendre les phénomènes locaux étant à l’origine de l'érosion. Les contraintes à l'interface sont comparées à celles obtenues dans le sédiment via la loi rhéologique mettant en évidence la présence d'une contrainte de cisaillement critique liée aux propriétés du sédiment.

mots clés

Titre traduit

Rheometry-hydrodynamics coupled study and application to local erodibility of cohesive sediment model
Résumé

Associated problems with sediment transport are one of the major concerns of our society, as an environmental and economic perspective. Few information about local dynamics of erosion is available and especially for cohesive sediments. In this study, we focus on local phenomena acting at the water-sediment interface. First, a transparent sediment model is made based on rheological properties of natural sediments. For this purpose, different mixtures, containing Laponite and carboxymethylcellulose, are tested by varying the concentration and method of manufacture. Measurement protocols are then established and a law of variation of rheological properties as a function of the sediment concentration is determined. Then, definition of flow within the hydraulic channel of the study, without the presence of sediment, is obtained by PIV optical measurements. Average and instantaneous velocity fields allowed us to calculate the turbulent kinetic energy and the laminar and turbulent stresses acting on the bottom. Finally, similar measurements are carried out in the channel with presence of sediments in cases where the sediment is driven or not by hydrodynamic forces. Access to the turbulent kinetic energy as well as laminar and turbulent hydrodynamic stresses provides an understanding of local phenomena causing erosion. Stresses at the interface are compared with those obtained within the sediment via the rheological law highlighting the presence of a critical shear stress related to the sediment properties.