Modélisation numérique de l'érosion d'un sol cohésif par un écoulement turbulent.

• Auteur / Autrice : Fabienne Mercier
• Direction : Stéphane Bonelli, Fabien Anselmet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et Physique des Fluides
• Date : Soutenance le 11/06/2013
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Eric Barthélémy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabien Anselmet, Frédéric Golay, Marc Medale, Roland Borghi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Didier Marot, Philippe Gondret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Navier-Stokes, Équations de

Simulation, Méthodes de

Ouvrages hydrauliques

Mécanique des sols

Sols -- Érosion

Mots clés libres

Erosion

Modélisation IFS

Loi d’érosion

Contrainte critique

Coefficient d’érosion

Turbulence

Erosion

Fluid-Structure Interaction Modelling

Jet Erosion Test

Hole Erosion Test

Erosion law

Critical Shear Stress

Erosion Coefficient

Turbulent flow

Résumé

Les mécanismes d'érosion sont la principale cause de rupture des ouvrages hydrauliques en remblai, c'est pourquoi il est capital de pouvoir quantifier la résistance des sols à l'érosion. Divers appareillages permettent d'en obtenir une estimation, notamment le Jet Erosion Test (JET) dont le modèle d'interprétation est empirique. L'objectif de ce travail est de statuer sur la pertinence ce modèle d'interprétation. Pour cela, nous avons développé un modèle numérique 2D de type Navier-Stokes turbulent avec déplacement d'interface et remaillage, permettant de modéliser l'érosion d'un sol cohésif par un écoulement turbulent. En injectant dans notre modèle les paramètres d'érosion trouvés à la suite d'essais de JET, on retrouve numériquement l'évolution de la profondeur d'affouillement obtenue expérimentalement. Nous avons appliqué cette méthode à trois différents essais de JET, les résultats obtenus sont en bon accord avec les résultats expérimentaux. En plus d'une importante étude paramétrique, ces résultats ont permis d'apporter d'importants éléments de validation au modèle d'interprétation du JET. Pour étendre le champ d'applicabilité du modèle, nous avons également appliqué cette méthode de modélisation à la configuration de l'érosion de conduit. Trois essais de Hole Erosion Test (HET) ont été modélisés et nous avons également obtenus des résultats en bon accord avec les résultats expérimentaux. Une analyse de la loi d'érosion et des paramètres d'érosion obtenus à la suite d'essais de JET et de HET a ensuite été initiée. Les bases d'une étude portant sur l'influence de l'angle d'incidence de l'écoulement, sur l'efficacité de l'érosion, ont été posées.

Erosion mechanisms are the main cause of hydraulic failure in embankments. Therefore, the resistance of soils to erosion must be quantified. To this hand, several devices are used such as the Jet Erosion Test (JET), whose model of interpretation is strongly empirical. The aim of this study is to determine the relevance of the interpretation model of the JET. For this purpose, a 2D Navier-Stokes numerical model of erosion of cohesive soils by a turbulent flow has been proposed. We first developed and implemented an interface movement model, whose input parameters are the erosion parameters found experimentally by JET test. Then, the scour depth evolutions obtained numerically for three JET test cases are compared to experimental data. Good agreement is obtained. A parametric study has also been conducted to validate the accuracy of the numerical results. These results contribute to the validation of the JET interpretation model. To extend its domain of application, we applied the numerical model to concentrated leak erosion during Hole Erosion Tests (HET). Three HET were modeled and, here again, our numerical results are in satisfactory agreement with the experimental results from the tests. An analysis of the erosion law and erosion parameters obtained with JET and HET was finally initiated. The potential influence of the flow incidence angle on the erosion efficiency was underlined.