Etude expérimentale des processus turbulents de transport sédimentaire
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 |
Examinateurs / Examinatrices : Magali Jodeau, Philippe Sechet | |
Rapporteurs / Rapporteuses : Koen Blanckaert, Benoît Camenen |
Mots clés
Mots clés contrôlés
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'.