Etude expérimentale des processus turbulents de transport sédimentaire

Experimental study of turbulent sediment transport processes

• Auteur / Autrice : Hélder Guta
• Direction : David Hurther, Julien Chauchat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 03/06/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Eiff
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Magali Jodeau, Philippe Sechet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Koen Blanckaert, Benoît Camenen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sédiments (géologie) -- Transport

Mots clés libres

Mesure acoustique

Transport de sédiments;

Interactions turbulence-Particules;

Sediment transport;

Ultrasound scattering measurements

Turbulence-Particle interactions;

Résumé

La modélisation du transport intense de sédiments causé par une forte contrainte de cisaillement du lit est d'un intérêt primordial pour l'ingénierie et l'environnement. De telles conditions sont rencontrées typiquement pendant les crues des rivières et les tempêtes côtières, qui ont un impact majeur sur la morphologie des rivières à court et à long terme et sur l'évolution du littoral. La loi de la paroi et l'équation de Rouse décrivent raisonnablement bien les distributions de vitesse et de concentration, respectivement. Cependant, les paramètres de ces équations peuvent présenter une variabilité importante. La détermination de ces paramètres nécessite des données à haute résolution sur une large gamme de conditions d'écoulement, y compris dans la région dense à forte concentration près de la paroi. Dans cette thèse, un nouveau jeu de données de mesures de profils de vitesse et de concentration de sédiments co-localisés. Deux diamètres de particules (PMMA) sont utilisés, dp=3mm et dp=1mm, couvrant une large gamme de nombres de suspension 0.4<w_s/u_*<1.3 et de nombres de Shields 0.35<θ<1.2. Tout d'abord, ces paramètres qui permettent une meilleure description de la charge solide défini comme produit intégré en profondeur de la vitesse et de la concentration sont étudies. Les résultats indiquent qu'à forte concentration de sédiments, le profil de vitesse peut ne pas être strictement logarithmique, de sorte que les valeurs de la constante κ de von Karman adoptées représentent une tendance globale, plutôt que la caractéristique locale de l'écoulement. Une paramétrisation du rapport moyen en profondeur de la diffusivité des sédiments et de la quantité de mouvement, le facteur β, basée sur les présents résultats expérimentaux est proposée, permettant d'étendre les modèles de la littérature à une gamme plus large de nombres de suspension (0.1<w_s/u_*<1.5). La résistance globale à l'écoulement, paramétrée pa r le facteur de friction, ne présente pas de différences discernables par rapport aux écoulements en eau claire, indiquant un effet négligeable du mouvement des sédiments, en l'absence de formes fond. Avec les expériences de particules plus grandes (dp=3mm), il est montré qu'à l'intérieur de la couche de charriage, le mélange turbulent de la quantité de mouvement est fortement réduit, comparé à l'écoulement correspondant en eau claire. Ce changement dans la structure de l'écoulement doit être pris en compte dans le modèle de longueur de mélange turbulent, affectant à la fois la loi de la paroi et la formulation de Rouse. En conséquence, une solution analytique modifiée qui inclut les effets du transport par charriage pour le profil de concentration a été dérivée. Les analyses montrent que l'équilibre de l'énergie cinétique turbulente k est également fortement affecté par la présence d'une épaisse couche de charriage. Dans de telles conditions, la région de production maximale est fo rtement décalée vers le haut, ce qui induit une diffusion d'énergie accrue vers le lit. Il est suggéré que ce transport vers le bas peut alimenter le transport par charriage. Sur la base de la méthode des quadrants, il est confirmé que ce transport d'énergie turbulente kw' est réalisé par les structures turbulentes cohérentes, ainsi que le transport turbulent de la quantité de mouvement u'w' et des sediments c'w'.

Modelling intense sediment transport caused by high bed shear stress is of primary engineering and environmental interest. Such conditions are encountered typically during river floods and coastal storms, which have a major impact on short to long-term river morphology and coastal shoreline evolutions. The law of the wall and the Rouse equation are found to describe reasonably well the velocity and concentration distributions, respectively. However, the parameters in these equations may present significant variability. Determining these parameters requires high-resolution data over a wide range of flow conditions, including in the dense high concentration near-wall region. In this Thesis, a new experimental dataset of co-located velocity and sediment concentration profile measurements. Two (PMMA) particle diameters are used, dp=3mm and dp=1mm, covering a wide range of suspension numbers 0.4<w_s/u_*<1.3 and Shields numbers 0.35<θ<1.2. First, parametrizations for improved description of the solid-load as result of velocity and concentration are provided. The results indicate that at high sediment concentration, the velocity profile may not be strictly logarithmic, such that the adopted κ values represent a global trend, rather than the local flow feature. A parametrization of the depth-averaged ratio of sediment and momentum diffusivity, the β-factor, based on the present experimental results is proposed, allowing to extend literature models to a wider range of suspension numbers (0.1<w_s/u_*<1.5). The bulk flow resistance, parametrized by the friction factor does not display discernible differences from the reference clear-water flows, indicating a negligible effect of sediment motion, in the upper plane bed regime. With the larger particle experiments (dp=3mm), it is shown that inside the bed-load layer, turbulent momentum mixing is highly reduced, compared to the corresponding clear-water flow. This cha nge in flow structure should be taken into account in the turbulent mixing length model, affecting both the law of the wall and the Rouse formulation. As result, a modified analytical solution that includes the bed-load effects for the concentration profile was derived. Further investigations show that the turbulent kinetic energy balance is also heavily affected by the presence of a thick bed-load layer. In such conditions, the peak production region is heavily upshifted, inducing an increased energy diffusion towards the bed. It is suggested that this downward transport may feed the bed-load transport. Based on the Quadrant Threshold Method, it is confirmed that the referred transport of turbulent energy is realized by the turbulent coherent flow structures, as well as the turbulent transport of momentum u'w' and of sediments c'w'.