Modélisation des processus locaux dans le transport Sédimentaire – MODSED

Les mécanismes physiques à l'origine du transport de sédiments par des écoulements fluides sont encore mal connus à ce jour. Pourtant, ces mécanismes jouent un rôle fondamental dans de nombreux écoulements géophysiques et industriels et en particulier sur leurs impacts environnementaux. Ces procédés sont également rencontrés dans les industries agro-alimentaires, chimiques et du pétrole. L’objectif de ce projet est l’amélioration de la compréhension et la modélisation des processus locaux (à l’échelle du grain) responsables du transport sédimentaire dans ces écoulements. Pour répondre à cela, la stratégie adoptée consiste en le développement et l’utilisation de méthodes numériques adaptées à l’étude de ces phénomènes locaux. Le but de cette étude est double : (1) améliorer les modèles macroscopiques ainsi que développer des nouveaux modèles pour les grandeurs pertinentes du transport sédimentaire comme les flux de charriage, de suspension, d’érosion et de déposition et (2) proposer des modèles de viscosité effective du milieu tenant compte à la fois des milieux dilués et compacts. Ces modèles pourront alors être utilisés dans des modèles opérationnels décrivant le transport sédimentaire à l’échelle rencontrée dans la nature ou l'industrie. Dans ce but, deux approches numériques seront développées, chacune adaptée à deux échelles différentes : petite échelle (de l’ordre et inférieure au grain) et grande échelle (de l’ordre du déplacement d’un grain). La méthode à petite échelle (SSM pour Small Scale Modelling) est basée sur le couplage d’une méthode aux frontières immergées et d’une méthode aux éléments discrets, afin de caractériser respectivement les interactions fluides/grains et grains/grains. Cette approche permet la description de tous les processus physiques à l’origine du transport des grains, permettant ainsi une modélisation des différents flux avec un haut degré de fiabilité. Bien entendu, l'approche SSM ne peut être utilisée que pour des configurations comportant un nombre modéré de grains O(10^4). De nombreux phénomènes apparaissent à plus grandes échelles comme la formation des dunes ou des barkhanes par exemples, et qui sont caractérisés par une grande quantité de grains. Cette échelle peut difficilement être résolue par la méthode SSM. Par conséquent, une seconde approche numérique sera développée, permettant la simulation d’un grand nombre de grains O(10^5- 10^6). Cette méthode (LSM pour Large Scale Modelling) est basée sur une approche de résolution des équations de Navier-Stokes moyennées localement pour décrire la phase fluide, couplée avec une méthode aux éléments discrets. Dans ce cas, les petites échelles hydrodynamiques seront modélisées, permettant ainsi une réduction du temps de calcul en comparaison à la méthode SSM. En revanche, les interactions grains/grains sont résolues au même titre que la méthode SSM. Le deux méthodes numériques, SSM et LSM seront utilisées et confrontées (en particulier pour la modélisation des petites échelles hydrodynamiques dans la méthode LSM) afin de décrire de façon quantitative le transport solide dans un fluide pour deux types de forçage rencontrés dans la nature: transport induit par un fluide cisaillé et transport dominé par la gravité.