Modélisation numérique de l'interaction d'un écoulement de fluide viscoplastique avec un obstacle rigide par la méthode SPH : Application aux laves torrentielles

par Mathieu Labbé

Thèse de doctorat en Sciences de la terre et de l'univers, et de l'environnement

Sous la direction de Dominique Laigle et de Pierre Saramito.

Soutenue le 20-03-2015

à l'Université Grenoble Alpes (ComUE) , dans le cadre de École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble) , en partenariat avec Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (laboratoire) .

Le président du jury était Chantal Staquet.

Le jury était composé de Luc Oger, Jean-Paul Vila.

Les rapporteurs étaient Luc Oger, Hélène Hébert.

mots clés

• Lave torrentielle
• Fluide viscoplastique
• Écoulement granulaire
• Structure de protection
• Simulation numérique
• SPH

Résumé

Dans le présent travail, nous étudions l'impact sur un obstacle rigide d'un écoulement transitoire à surface libre de fluide viscoplastique. Cette étude est conduite numériquement à l'aide de la méthode SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics), en y intégrant le modèle rhéologique de Herschel-Bulkley. Le code employé est adapté à nos besoins et validé sur des cas test classiques. Les caractéristiques locales de l'écoulement à proximité de l'obstacle sont analysées et deux régimes d'impact sont mis en évidence en fonction de la pente d'écoulement. L'étude des pressions exercées sur l'obstacle, conduite spatialement et temporellement en fonction de ces régimes d'impact, nous permet de mettre en évidence les rôles respectifs des composantes gravitationnelle et cinétique de la pression. Nos résultats sont comparés systématiquement à des résultats expérimentaux issus de travaux précédents et sont cohérents avec ces derniers. Une étude comparative de nos écoulements de fluide viscoplastique avec des écoulements de matériau granulaires de propriétés similaires nous conduit à mettre en évidence des caractéristiques communes entre les deux matériaux.

mots clés

• Debris flow
• Viscoplastic fluid
• Granular flow
• Protection structure
• Numerical simulation
• SPH

Titre traduit

Numerical modelling of the interaction between a viscoplastic fluid and a rigid obstacle, using the SPH method. Application to debris flows.

Résumé

In this work, we study the impact of a transient free-surface flow of viscoplastic fluid on a rigid obstacle. This study is conducted numerically using the SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) method, and the Herschel-Bulkley rheological model. The SPH code is adapted to our needs and validated on classic benchmarks. The local characteristics of the flow near the obstacle are analysed and two impact regimes are highlighted depending on the slope angle. By studying of the pressure exerted on the obstacle, both spatially and temporally, with regards to these impact regimes, we evidence the respective roles of the gravitational and kinetic components of the pressure. Our results are systematically compared with experimental data from a previous work and are shown to be consistent. A comparative study conducted on both our viscoplastic flows and flows of granular material of similar properties highlights common characteristics of the two materials.