Ecoulements à surface libre de fluides à seuil : rhéométrie et validation des caractéristiques hydrauliques dans un canal à fond mobile. Application aux laves torrentielles

Rheology of debris flows : influence and formation of the granular front

• Auteur / Autrice : Assia Ghemmour
• Direction : Mohamed Naaim
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, génie mécanique
• Date : Soutenance le 24/10/2011
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : CEMAGREF
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Erosion torrentielle neige et avalanches
• Jury : Président / Présidente : Elisabeth Guazelli
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohamed Naaim, Albert Magnin, Guillaume Chambon, Pablo Arrighi, Alain Lacarnoy, Pierre eymard Biron
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Valery Botton, Guillaume Ovarlez, Eduardo Bonelli

Mots clés

Mots clés libres

Mécanique des fluides

Loi de comportement de Herschel-Bulkley

Kaolin

Carbopol

Écoulement à surface libre

Modèle de couche mince

Laves torrentielles

Canal incliné à fond mobile

Fluid mechanics

Herschel-Bulkley rheology

Kaolin slurry

Carbopol

Freesurface flow

Thin-layer model

Debris flow

Conveyor belt channel

Résumé

Cette thèse présente une étude expérimentale visant à caractériser les propriétés hydrauliquesd'écoulements à surface libre de fluides complexes: fluides viscoplastiques et mélangesfluides viscoplastiques-grains. Ce travail est motivé par la nécessité d'améliorer lesconnaissances sur les propriétés des écoulements de laves torrentielles, dans un contexte deprotection contre les risques naturels en montagne. Nous avons développé un dispositif delaboratoire original, un canal à fond mobile, permettant de générer des coulées gravitaires quisont globalement stationnaires dans le référentiel du laboratoire. Les coulées présentent unfront très raide, suivi à l'amont d'une zone d'épaisseur uniforme. Les fluides viscoplastiquesutilisés (carbopol et kaolin) ont été choisis de manière à modéliser la matrice des couléesboueuses naturelles en prenant en compte les critères de similitude adaptés. Ces fluidessuivent une loi de comportement de Herschel-Bulkley, et leurs propriétés rhéologiques ont étédéterminées au moyen d'un rhéomètre de laboratoire en accordant un soin particulier àl'établissement des incertitudes associées. Nous présentons des mesures précises de l'évolutionde l'épaisseur des coulées dans la zone uniforme en fonction de la vitesse du fond du canal etde la pente. Ces résultats sont comparés à des prédictions théoriques correspondant à unécoulement permanent et uniforme d'un fluide de Herschel-Bulkley, et nous montrons quel'accord est satisfaisant moyennant les incertitudes sur les mesures rhéologiques. Nous avonségalement analysé la forme du front des coulées et, là-aussi, l'accord avec des modèleshydrauliques (modèles de type Saint-Venant) est bon. Ces deux études permettent de validerles prédictions hydrauliques obtenues à partir de lois de comportement mesurées aurhéomètre. Enfin, dans une dernière partie, nous présentons une étude préliminaire de ladynamique de particules rigides isolées placées au sein de la coulée, en nous intéressant auxvitesses longitudinales et aux vitesses de chute pour différentes tailles et différentes densitésde particules.

This thesis presents an experimental study dedicated to characterise the hydraulic propertiesof free surface flows of complex fluids : viscoplastic fluids and mixtures made of viscoplasticfluids and grains. This study is motivated by the need to improve knowledge on properties ofthe flow of debris flows in a context of protection against natural hazards in the mountains.We have developed an original laboratory device - a channel with a mobile bottom - togenerate gravitary flows that are globally stationary in the laboratory frame. The flows have avery steep front followed upstream by a zone of uniform thickness. Viscoplastic fluids used(carbopol and kaolin) were selected so to model the matrix of natural mud flows, taking intoaccount the criteria of similarity adapted. These fluids follow a behavior law of Herschel-Bulkley, and their rheological properties were determined using a laboratory rheometer byproviding a particular care to the establishment of the associated uncertainties. We presentaccurate measurements of the evolution of the thickness of the flow in the uniform zone withthe the velocity speed of channel belt. These results are compared with theoretical predictionscorresponding to a steady uniform flow of a fluid of Herschel-Bulkley, and we show that theagreement is satisfactory through the uncertainties on the rheological measurements. We alsoanalyzed the shape of front, and here too, the agreement with hydraulic models (models likeSaint-Venant) is good. Both of the studies allowed to validate the hydraulic predictionsobtained from behavior laws measured with the rheometer. Finally, in a last section, wepresent a Preliminary study about the dynamics of isolated rigid particles placed in the flow,by paying attention to longitudinal velocities and falling velocities for different particle sizesand densities.