Etude expérimentale et modélisation du transport sédimentaire en régime de sheet-flow

par Thibaud Revil-Baudard

Thèse de doctorat en Océan, atmosphère, hydrologie

Sous la direction de Eric Barthélémy.

Le président du jury était Olivier Eirf.

Le jury était composé de Eric Barthélémy, Julien Chauchat, Mohamed Naaim, David Hurther, Thierry Garlan.

Les rapporteurs étaient Pierre-Yves Lagrée, Tian-Jian Hsu.


  • Résumé

    Le transport sédimentaire contrôle l'évolution morphologique des rivières, l'érosion du littoral et l'équilibre des écosystèmes. Il constitue également un facteur de risque pour les populations et les infrastructures. Le sheet-flow, ou charriage intense, est un régime de transport sédimentaire qui s'établi lors de crues dans les fleuves et les rivières ou lors du déferlement des vagues littorales sur les plages sableuses. Le fort taux de transport associé à ce régime le rend très morphogène et une bonne compréhension des processus physiques impliqués est fondamentale pour prédire la morphodynamique. Cependant, les interactions granulaires et les fluctuations turbulentes, qui sont les principaux mécanismes à l'œuvre dans ce phénomène, constituent des verrous scientifiques pour la modélisation du régime de sheet-flow. Cette déficience s'explique essentiellement par le manque de données expérimentales haute résolution. Partant de ce constat, l'objectif de la thèse est de proposer un modèle diphasique et un dispositif expérimental haute résolution permettant de mieux caractériser les mécanismes impliqués. indent Dans un premier temps, le modèle diphasique est présenté et les résultats obtenus sont confrontés aux données de la littérature. L'analyse des résultats montre que la rhéologie des écoulements granulaires denses ($mu(I)/phi(I)$) et l'approche de longueur de mélange utilisées sont des fermetures appropriées pour reproduire les principales caractéristiques du régime de sheet-flow pour une large gamme d'écoulements et de propriétés sédimentaires. La deuxième partie de la thèse est consacrée à la mise en place d'un dispositif expérimental capable de fournir des mesures instantanées de vitesse et de concentration en régime de sheet-flow uniforme. Dans la troisième partie les grandeurs moyennes sont analysées pour décrire la structure verticale de l'écoulement. Les résultats obtenus montrent qu'une formulation en longueur de mélange et un profil de Rouse permettent de décrire la contrainte turbulente et le profil de concentration dans la suspension à condition de fortement modifier le paramètre de von Karman ($kappa approx 0.2$) et le nombre de Schmidt ($sigma_s=0.44$). La rhéologie frictionnelle ($mu(I)/phi(I)$) et la théorie cinétique des écoulements granulaires prédisent qualitativement le comportement observé, mais échoue à reproduire quantitativement les mesures. Le lien étroit existant entre les structures cohérentes turbulentes et la dynamique du lit sédimentaire illustre l'importance des fluctuations et de l'intermittence de l'écoulement. Ce couplage pourrait expliquer l'écart observé entre le comportement prédit par les modèles de contraintes inter-granulaires et les mesures expérimentales. Finalement, la comparaison des analyses statistiques en régime de sheet-flow et en écoulement sur fond fixe rugueux permet de montrer que l'énergie cinétique turbulente est peu affectée par la présence des sédiments mais que le niveau de corrélation entre fluctuations horizontales et verticales est sensiblement diminué, impliquant une diminution de la longueur de mélange et de la viscosité turbulente. Une augmentation significative de la rugosité équivalente induite par le lit mobile est aussi observée.

  • Titre traduit

    Experimental study and modelling of the sediment transport in sheet-flow regime


  • Résumé

    Sediment transport controls river morphological evolution, coastal erosion and ecosystem equilibrium. It represents a risk factor for populations and infrastructures. The sheet-flow, or intense bed-load, is a regime of sediment transport occurring during river floods or in the coastal wave breaking region above sandy beaches. The large amount of sediment transported in this regime is the main source for morphological evolution in our natural systemswater bodies. A good understanding of the underlying physical processes is a pre-requisite for accurate morphodynamic predictions. However, particle-particle interactions and turbulent flow interactions, which are the main driving mechanisms in this problem, constitute the scientific bottlenecks for sheet-flow modelling. This deficiency is mainly caused by the lack of high resolution experimental data. Based on this observation, the objective of the present thesis is to propose a novel two-phase model and to generate a new set of high resolution experiment data to improve process based sheet-flow modelling. indent First, the two-phase flow model is presented and the obtained results are compared with data from the literature. The result analysis has shown that the dense granular flow rheology ($mu(I)/phi(I)$) combined with a turbulent mixing length concept predicts the main sheet flow characteristics over a wide range of flow and sediment properties. Secondly, the experimental set up providing high-rate measurements of velocity and concentration under a uniform sheet-flow regime is presented. Third, the measured mean flow quantities are analysed to describe the vertical structure of the flow. The obtained results show that a mixing length formulation and a Rouse profile allow to describe the turbulent stress and the concentration profiles in the turbulent suspension layer, provided that the von Karman parameter and the Schmidt number are modified ($kappa approx 0.2$ and $sigma_s=0.44$). The frictional rheology ($mu(I)/phi(I)$) and the kinetic theory of granular flows predict qualitatively the observed behaviour but fail to reproduce measurements quantitatively. The observed link between the turbulent coherent structures and the bed dynamic illustrates the importance of flow fluctuations and intermittency. This coupling could be responsible for the discrepancy found between the predictions from the intergranular stresses models and the measurements. Finally, the comparison between the statistical analysis performed for a sheet-flow regime and for a clear water flow over a rough fixed bed demonstrates that the turbulent kinetic energy is weakly affected by the presence of sediments whereas the turbulent correlation level between horizontal and vertical fluctuations is significantly reduced, leading to a decrease of both the mixing length and the turbulent eddy viscosity. An increase of the equivalent roughness height induced by the moving bed is also observed.


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