Experimental study of out of equilibrium sediment transport
Etude expérimentale du transport sédimentaire hors équilibre
Résumé
This experimental thesis deals with sediment transport induced by a fluid (air or water generally)flowing over an erodible bottom (sand bed for example) and providing a sufficiently high strengthto whip up solid particles and carry them downstream. Here, one focuses only on aquatic bedload: in this transport regime, moving grains roll, slip, jump or stop alternatively while staying confinedclose to the bed. We achieve different kinds of experiments in a laboratory flume involving everytime several grain types (3 sizes, 2 densities) in order to study underwater bedload in details. First,one considers trajectories of isolated beads transported over the flat and smooth bottom of theflume. Although the studied flows are hydraulically smooth (grains are fully embedded in theviscous sublayer), one shows that near wall turbulence highly impact grains dynamics. From ourdata, we extract mean particle velocities, standard deviations and also probability densityfunctions. One compares these results with those obtained by Laser Doppler Velocimetry (LDV)concerning the near wall fluid flow. Second, one quantifies the bedload by measuring the volumeof grains transported at the surface of flat granular beds for different shear stresses. The goal ofthese experiments is the empirical determination of the transport law (the relationship between thegranular flux and the fluid shear) for the present experimental configuration. Our results differsignificantly from usual transport laws like the one of Meyer-Peter and Müller and are bestunderstood within the framework of weak sediment transport. Then, one implements a FourierTransport Profilometry (FTP) method in order to measure with a good resolution the 3D surfacesof small aquatic dunes (called barchans) and their time evolution. One takes an interest in, amongothers, barchans formation, their morphology, their displacement velocity and the erosionphenomenon. One shows that subaquatic barchans move downstream without deforming and thusit becomes easier to estimate the granular flux on the back of the dunes (in the symmetry plane).Eventually, one characterizes the flow above a barchan "model" by LDV and deduces the shearstress along the dune’s back (from foot to crest). These shear stress measurements coupled withthe empirical transport laws and results concerning barchans obtained by FTP permit us todiscuss saturation effects of the granular flux. One estimates the saturation length for the bedloadand highlights that our conclusion on this point must be taken with care.
Cette thèse expérimentale traite du transport sédimentaire provoqué par un fluide (généralement l’air ou l’eau) s’écoulant sur un matériau érodable (lit de sable par exemple) et lui transmettant une force suffisante pour soulever les particules solides et les emporter avec lui en aval. Ici, on se focalise uniquement sur le charriage aquatique : dans ce mode de transport, les grains en mouvement roulent les uns sur les autres, glissent, effectuent une succession de bonds et d’arrêts tout en restant confinés près du fond. On réalise différents types d’expériences dans un canal de laboratoire avec, à chaque fois, plusieurs types de grains (3 tailles, 2 densités) afin d’étudier en détails le charriage sous l’eau. Tout d’abord, on s’intéresse aux trajectoires de grains isolés transportés sur le fond plat et lisse du canal. Alors que les écoulements sont pour la plupart hydrauliquement lisses (les grains sont immergés dans la sous-couche visqueuse), on montre que la turbulence proche paroi impacte fortement la dynamique des grains. Les données accumulées permettent d’estimer les moyennes et les dispersions de la vitesse des particules ainsi que de construire les fonctions de densité de probabilité. On compare ces résultats avec ceux obtenus par Vélocimétrie Laser Doppler (VLD) concernant l’écoulement fluide proche du fond. Dans un second temps, on quantifie le transport par la mesure de la quantité de sédiments charriés sur des lits plats pour différentes contraintes de cisaillement. L’idée qui motive ces expériences est la détermination empirique de la loi de transport(la relation entre le flux de grains et le cisaillement) pour notre configuration expérimentale. Nos résultats diffèrent assez largement des lois de transport habituelles du type Meyer-Peter et Müller et s’interprètent plus aisément dans le cadre des lois pour le charriage de faible intensité. Ensuite, une méthode de Profilométrie par Transformée de Fourier (PTF) est implémentée pour mesurer avec précision les surfaces 3D de petites dunes aquatiques (les barkhanes) et leur évolution au cours du temps. On s’intéresse, entre autres, à la formation des barkhanes, à leur morphologie, à leur vitesse de migration ainsi qu’au phénomène d’érosion. On apporte la preuve que les barkhanes aquatiques se déplacent sans se déformer et dès lors, on montre qu’il devient facile d’évaluer le flux de grains sur le dos des dunes (dans le plan de symétrie). Pour finir, on caractérise l’écoulement au-dessus d’une "maquette" de barkhane par VLD et on en déduit le cisaillement sur le dos de la dune (du pied à la crête). Ces mesures de cisaillement couplées aux lois de transport pour notre canal et aux résultats concernant les barkhanes obtenus par PTF nous permettent de discuter du phénomène de saturation du flux de grains. On estime la valeur de la longueur de saturation pour le charriage tout en restant prudent quant à la fiabilité de notre conclusion à ce sujet.
Origine : Version validée par le jury (STAR)