Processus de ségrégation en transport de sédiments par charriage : étude expérimentale et théorique.

par Hugo Rousseau

Projet de thèse en Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement

Sous la direction de Philippe Frey et de Julien Chauchat.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale terre, univers, environnement (Grenoble) , en partenariat avec IRSTEA Grenoble (laboratoire) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    La matière sous forme granulaire est la deuxième forme de ressource la plus utilisée dans le monde après l'eau. En effet, de nombreux processus industriels utilisent la matière sous forme dispersée en raison de sa facilité de production et de stockage. Ainsi, les milieux granulaires peuvent se retrouver dans l'agroalimentaire, la médecine ou encore le génie civil. Cependant, ces milieux sont aussi très présents dans l'environnement à travers le transport des dunes de sable, les avalanches ou encore les laves torrentielles. La compréhension de la physique mise en jeu lors de ces événements reste primordiale pour la protection des personnes et des infrastructures. En montagne, lors de fortes pluies, les particules du lit des rivières sont mises en mouvement et transportées par un phénomène de charriage. Ce phénomène est un important facteur de risque naturel puisqu'il est à l'origine des crues torrentielles. Celles-ci sont très violentes et dévastatrices pour les infrastructures car le débit volumique de matière peut atteindre 20$%$ du débit d'eau écoulé. Ainsi, la modélisation et la prédiction du flux de particules charriées permettraient de mieux prévoir et anticiper ces crues. Néanmoins, après plus d'un siècle de recherche, le phénomène de charriage reste encore mal compris. Un des verrous de cette compréhension réside dans le phénomène de tri granulométrique également appelé ségrégation (Frey and Church 2009). Ce phénomène se déroule lorsqu'un lit composé de différentes tailles de particules (sable et galets) est soumis à des contraintes de cisaillement par l'écoulement d'eau à la surface. Si l'écoulement est suffisamment fort, le sable et les galets sont mis en mouvement et les fines particules de la surface du lit peuvent s'infiltrer vers le fond tandis que les galets du fond remontent à la surface du lit. Les modèles existants prédisent des vitesses identiques pour les trajets des deux tailles de grains. Or Van de Vaart et al. (2015) ont montré une asymétrie des vitesses à travers leurs expériences : les grains de petite taille s'infiltrent plus vite que les gros grains ne remontent. Le but de cette thèse est donc de travailler expérimentalement sur le phénomène de ségrégation dans les cours d'eau et en particulier sur le phénomène d'asymétrie des vitesses qui se met en place. Cette étude permettra de fournir des données pour l'élaboration d'un modèle théorique ainsi que pour la validation d'un modèle discret réalisé dans la thèse de R.Chassagne (thèse en cours à l'IRSTEA). Une étude parallèle aux expériences sera menée avec le laboratoire LEGI de Grenoble (avec J. Chauchat) consistant à modéliser le phénomène de ségrégation avec un modèle continue diphasique nommé sedFoam (Chauchat et al., 2017). Cette étude se placera dans la continuité de mon stage de master 2 que je réalise avec J. Chauchat.

  • Titre traduit

    Segregation process in bedload sediment transport: experimental and theoretical study


  • Résumé

    Bedload transport, the coarser bed material shear-driven by the turbulent water flow, has major consequences for public safety through flood alleviation, for the management of water resources and for environmental sustainability. Despite 100 years of modern research, bedload sediment transport is still a scientific issue because of the phenomenon of size segregation also termed grain size sorting. Therefore engineering and operational tools are still very imprecise. We propose to change the viewpoint by concentrating on granular interactions (Frey and d Church 2009). The general objective is to experimentally investigate vertical size segregation, concentrating on granular interactions. One specific objective is to cast light on the asymmetry observed in segregation. Surprisingly enough, a small grain surrounded by large grains moves down vertically more rapidly than a large grain moving upward in a crowd of small grains. Yet, simpler ‘symetric' models consider the same segregation rates in both cases! Experiments and image analysis will be carried out in the narrow particulate channel at IRSTEA (Duudill et al;2017), Grenoble and will give data sets to propose new segregation theories. These datasets will also permit validation (Maurin et al. 2015) of fluid/grain coupled discrete element models. Experimental data jointly with numerical results should crack the case of asymmetry in segregattion. In addition, my masters project on the Eulerian/Eulerian two phase modelling of grain-size segregation will also be continued. It consists in modelling this phenomenon with a two-phase approach through the model developped by J.Chauchat et al. 2017, named sedFoam.