Etude numérique de l'érosion d'un matériau granulaire cohésif par un écoulement fluide

Numerical modeling of fluid flow erosion of a cohesive granular material

• Auteur / Autrice : Zeyd Benseghier
• Direction : Pierre Philippe, Stéphane Bonelli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Mécanique et physique des fluides
• Date : Soutenance le 04/12/2019
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (France). Centre d'Aix-en-Provence
• Jury : Président / Présidente : Patrick Richard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck Lominé, Pascale Aussillous
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Luc Sibille

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulements granulaires immergés

Mécanique des fluides

Modélisation CFD

Mots clés libres

Lbm

Dem

Érosion

Sol cohésif

Matériau granulaire

Écoulement de jet impactant

Gpu

Simulation numérique

Lbm

Dem

Erosion

Cohesive soil

Granular material

Impinging jet flow

Gpu

Numerical modelling

Résumé

L’érosion constitue le principal risque auquel sont soumis les ouvrages hydrauliques en terre. Il est donc crucial de quantifier l’érodabilité des sols et plusieurs essais d’érosion ont été mis au point dans ce but. Cependant, leurs modèles d’interprétation sont assez simplistes et des incohérences peuvent être constatées. Malgré plusieurs études expérimentales sur le sujet, les mécanismes d’érosion à l’échelle des grains restent encore mal compris. Dans cette thèse, la méthode numérique LBM-DEM a été mise en œuvre afin d’analyser l’érosion à l’échelle du grain. La cohésion du sol est prise en compte par une loi de contact adaptée incluant éventuellement un modèle d’endommagement dépendant du temps. Une parallélisation GPU a permis en outre d’améliorer la vitesse de calcul et l’efficacité du code. Après une analyse préalable d’un jet impactant laminaire 2D, la pertinence du critère classique de Shields pour les échantillons sans cohésion a d’abord été confirmée avant qu’une généralisation de ce critère ne soit proposée pour les sols faiblement cohésifs avec un accord très satisfaisant. Enfin, le modèle d’interprétation classique de l’essai JET a été adapté à notre problématique afin d’analyser et discuter de façon critique les paramètres d’érodabilité. Enfin, une configuration mieux contrôlée d’écoulement tangentiel à contrainte de cisaillement constante a été étudié, permettant de suggérer une loi de puissance, et non linéaire, pour décrire l’érosion à l’échelle de l’échantillon. Une étude paramétrique sur la cohésion inter-particulaire et la taille des grains a finalement été menée, afin d’examiner le lien entre les paramètres micro et macro

Hydraulic earthworks are frequently subjected to erosion-induced failure as reported in the literature. Accordingly, several erosion tests have emerged to quantify soil’s erodibility. However, they are based on simplified interpretation models and may lead to some inconsistencies. Despite several experimental investigations on the subject, there is still a lack of understanding of the erosion mechanisms taking place at the grain level. To this end, the LBM-DEM method is used in the present study to analyze numerically the erosion phenomena at the grain scale, with the addition of a cohesion model, including a time-dependent damage law. The computational speed and the efficiency of the code was significantly improved here using GPUs parallelization techniques. Next, after a preliminary analysis of 2D laminar impinging jet flow, the relevance of the classical Shields criterion for cohesion-less samples was first recovered, followed by a proposed generalization of this criterion for weakly cohesive soils with satisfactory agreement. Lastly, an adaptation of the classical JET interpretation model was proposed to our 2D laminar problematic and the erodibility parameters were subsequently quantified and critically discussed. Finally, a constant shear-driven fluid flow configuration at the upper surface of a sample was alternatively studied. A power law function was found to be best suited than the usual linear relation to account for the erosion law at sample scale. A parametric study on inter-particle cohesion and grain size was next performed to investigate the link between micro and macro parameters