Etude microstructurelle du transport par charriage de mélanges bidisperses à forte pente

Experimental study of bedload transport of two-size mixtures on steep slopes at the particle scale

• Auteur / Autrice : Virginie Hergault
• Direction : Philippe Frey, François Métivier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, procédés, énergétique
• Date : Soutenance le 29/06/2011
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (France). Centre de Grenoble (2012-2019)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Belleudy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Frey, François Métivier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jacques Jay, Alain Crave

Mots clés

Mots clés libres

Charriage

Roulement

Saltation

Supercritique

Traitement d'image

Mélanges bidisperses

Bedload transport

Rolling

Saltation

Supercritical

Image processing

Two-size mixtures

Résumé

Le transport par charriage reste un phénomène mal compris en raison notamment de la polydispersité des particules et de la ségrégation résultante. Nous avons mené une étude expérimentale à l'échelle de la particule dans le but de comparer le mouvement de billes de verre sphériques de 4~mm et 6~mm et d'analyser la ségrégation de mélanges de deux tailles. Les particules sont entraînées dans un mouvement quasi-bidimensionnel par un écoulement turbulent et supercritique dans un canal à forte pente sur un lit mobile sous des conditions d'équilibre de charriage. Les écoulements ont été filmés sur le côté et analysés par traitement d'image afin de déterminer les trajectoires des particules, leur état de mouvement (arrêt, roulement, saltation) et la hauteur d'eau. Alors que les billes de 6~mm des cas unimodaux sont principalement en roulement, la saltation est prédominante pour les billes de 4~mm et les billes du mélange. Nos données monodisperses supportent le modèle d'érosion-dépôt de cite{Char06}. Les profils de vitesse présentent trois zones (exponentielle, linéaire, logarithmique). De même que les profils de concentration, ils ont des similitudes avec les profils en charriage côtier et en écoulement granulaire sec. Nos expériences bidisperses ont révélé un phénomène de ségrégation assimilable au processus de "kinetic sieving".

Bedload transport remains poorly understood partly due to the polydispersity of particles and resulting segregation. Experiments were carried out at the particle scale to compare the motion of spherical 4~mm and 6~mm glass beads and to analyze the segregation of two-size mixtures. Particles were entrained by a turbulent supercritical flow down a steep two-dimensional channel with a mobile bed under bedload equilibrium conditions. Flows were filmed from the side and analyzed by image processing to determine the particle trajectories, their state of motion (rest, rolling, saltation), and flow depth. Contrasting with the 6~mm uniform case where rolling was frequent, saltation was dominant for 4~mm beads and the two-size mixtures. Our one-size data support the erosion-deposition model of cite{Char06}. The velocity profiles exhibit three segments (exponential, linear, logarithmic). As well as concentration profiles, they are similar to profiles in sheet flows and dry granular flows. Our two-size experiments also revealed a phenomenon of segregation comparable to the kinetic sieving process.