Modélisation expérimentale et numérique de la ségrégation verticale en transport de sédiments par charriage : effet du ratio de taille sur la remontée d'un intrus

Experimental and numerical modelling of vertical segregation in bedload sediment transport: size ratio effect on the ascent of an intruder

• Auteur / Autrice : Benjamin Dedieu
• Direction : Philippe Frey, Julien Chauchat
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l’Environnement
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 24/03/2025
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Terre de l’Environnement et des Planètes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Géosciences de l’Environnement (IGE)
• Jury : Président / Présidente : Alexandre Valance
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Frey, Julien Chauchat, Laurent Lacaze, Bruno Chareyre, Pascale Aussillous
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Lacaze, Pascale Aussillous

Mots clés

Mots clés libres

Transport sédimentaire

Charriage

Segregation

Sediment transport

Bedload

Segregation

Résumé

La ségrégation verticale par taille dans le transport de sédiments par charriage impacte les processus de transport sédimentaire et la morphologie du lit des rivières. Pour améliorer les modèles de transport sédimentaire, il est essentiel de comprendre les mécanismes responsable de la ségrégation à l’échelle granulaire. Cette thèse examine la ségrégation verticale d’une particule intruse au sein d'un lit granulaire monodisperse composé de particules plus petites, en mettant l’accent sur l’impact du ratio de taille entre l’intrus et les particules environnantes. Des expériences en canal ont été réalisées pour différents ratios de taille, avec de nombreuses répétitions, afin d’analyser la cinématique de l’intrus. Les résultats révèlent une transition de régime entre un comportement de traceur passif pour un ratio de taille égal à 1, jusqu’à un ratio proche de 2 : à mesure que le ratio de taille augmente, les données montrent une moindre variabilité et la trajectoire spatiale de l'intrus devient plus linéaire avec une pente plus raide. Au-delà, pour des ratios de taille plus élevés, la pente se stabilise à une valeur constante, tandis que le temps nécessaire pour que l’intrus atteigne la surface du lit augmente. Un modèle cinématique a été développé pour prédire la durée de ségrégation en fonction de la profondeur de l’intrus et du ratio de taille, en intégrant un coefficient de dérive dépendant du ratio de taille, qui reflète un décalage de vitesse entre l’intrus et les particules environnantes dans le sens de l'écoulement. Des simulations par éléments discrets reproduisant la configuration expérimentale avec des parois latérales, restituent avec succès les tendances observées expérimentalement. Quantitativement, les simulations donnent des durées de ségrégation plus courtes et des pentes de trajectoires plus faibles, attribuées à une vitesse granulaire plus élevée dans le sens de l'écoulement, bien que les coefficients de dérive restent cohérents avec les expériences. Des simulations sans parois latérales ont été réalisées pour éliminer les effets de bord et fournir un cadre plus général pour l’étude de la ségrégation par taille. Les comparaisons avec les simulations avec parois latérales, réalisées avec le même forçage fluide, montrent que les parois ralentissent l’écoulement granulaire. Par conséquent, les durées de ségrégation et les pentes des trajectoires spatiales sont plus faibles en l’absence de parois. Des considérations cinématiques montrent que la vitesse de l’intrus dans le sens de l'écoulement correspond à celle des particules du lit situées plus bas, à une distance qui augmente linéairement avec le ratio de taille et converge vers environ $-2/3$ du rayon de l’intrus. Sur cette base, un modèle plus général du coefficient de dérive a été développé. Une analyse dynamique révèle d’importantes fluctuations de force, qui, une fois moyennées, montrent que le poids apparent de l’intrus est équilibré par les forces de contact, avec une faible force résiduelle agissant dans la direction de la ségrégation. La pression granulaire et les contraintes de cisaillement calculées à la surface de l’intrus atteignent un maximum au niveau de son quart inférieur aval, avec une magnitude augmentant linéairement avec le ratio de taille.

Vertical size segregation in bedload transport impacts sediment transport and riverbed morphology. To improve sediment transport models, it is essential to understand the grain-scale mechanisms driving segregation. This thesis investigates the upward size segregation of a single intruder particle in a mono-disperse granular bed of smaller beads during bedload transport, with a focus on the impact of the size ratio between the intruder and the smaller particles. Flume experiments were conducted with different size ratios and extensive repetitions to examine the intruder kinematics.Results highlight a regime transition from the passive tracer behavior at size ratio 1 to size ratio around 2: as the size ratio increases, data show less variability and the slope of the intruder spatial trajectory gets steeper. Then, for larger size ratios, the slope stabilizes at a constant value and the time for the intruder to reach the bed surface increases. A kinematic model is developed to predict the segregation duration as a function of intruder depth and size ratio, incorporating a size ratio dependent drift coefficient that reflects the streamwise velocity lag between the intruder and the surrounding particles. Discrete element simulations of the experimental configuration with sidewalls successfully reproduce the experimental trends. Quantitatively, simulations give shorter segregation durations and lower trajectory slopes, attributed to a larger streamwise granular velocity, though the drift coefficients stay consistent with experiments. Simulations without sidewalls were conducted to eliminate boundary effects and provide a more general framework for studying size segregation. Comparisons with the simulations with sidewalls conducted with the same fluid forcing show that the sidewalls slow down the granular flow. As a result segregation durations and slopes of the linear spatial trajectory are smaller without sidewalls. From kinematic considerations, it is shown that the intruder streamwise velocity matches the streamwise velocity of the bed particles found below at a distance that increases linearly with the size ratio, and converges to about $-2/3$ of the intruder radius. Based on this result, a more general model for the drift coefficient is developed. Dynamic analysis reveals large force fluctuations, which, when averaged, show that the intruder buoyant weight is balanced by contact forces, with a small residual force acting in the segregation direction. Granular pressure and shear stress computed at the intruder surface are maximum at the lower downstream quarter, with the magnitude increasing linearly with the size ratio.