Modélisation des processus physiques locaux dans les courants de gravité chargés en particules: des processus physiques locaux à la dynamique globale – PALAGRAM

L'un des objectifs clés de la première phase du projet est le développement de méthodologies expérimentales adaptées consacrées à l'extraction de données pertinentes dans des écoulements fluides-particules complexes en tant que PLGC. Les difficultés associées sont (i) l'hétérogénéité de l'écoulement (temps et espace dépendant à la fois de la dynamique et de la concentration en particules), et (ii) l'opacité de l'écoulement due à la présence des particules. Trois techniques différentes ont été identifiées et développées dans trois laboratoires du consortium (voir illustration):
1. la technique d'atténuation de la lumière (LAT) au LEMTA donnera accès aux cartes de concentration des particules dans les PLGC dans des configurations quasi-bidimensionnelles,
2. les profils de vitesse et de concentration via mesures ultrasonores (UVCP) sont obtenus à l'IMFT à l'aide de profileurs acoustiques commerciaux avec un procédé de calibration et d'inversion spécifique, donnant accès à des profils turbulents instantanés dans toutes les configurations,
3. des particules adaptée en terme d'indice de réfraction (RIM) sont créées au LEGI/INRAE, et ??permettront d'accéder à la turbulence dans la phase fluide par des mesures optiques (vélocimétrie par image de particules).

Les observations expérimentales qui résulteront de ces métrologies sont à la base d'une modélisation adéquate pour un écoulement équivalent, qui sera également testé à l'aide d'un modèle numérique d'écoulement diphasique sedFOAM, développé au LEGI.

Projet en cours.

La phase de développement métrologique dans les laboratoires partenaires touche à sa fin. Des premiers résultats encourageants issus des ces outils sont présentés dans la figure jointe.

N.A

N.A

Les écoulements gravitaires chargés en particules solides sont des situations récurrentes rencontrées dans la nature et dans l’industrie. Le projet PALAGRAM vise à caractériser la dynamique des courants de gravité chargés en particules (« PLGCs » dans la suite) de l’échelle des processus locaux (érosion/déposition, dispersion turbulente) à l’échelle macroscopique (rhéologie, modélisation de la turbulence) par des approches expérimentales de laboratoire et numériques.
Notre projet se concentre sur l’influence de la concentration en particules dans le courant pour une grande gamme de valeurs, avec des fractions volumiques (Phi) variant entre 0.1% et 20%. Nous prévoyons d’apporter une vision unifiée des PLGCs issus de systèmes dilués (Phi<1%) comme denses (Phi>10%), qui correspondent respectivement à des avalanches de neige ou à des glissements de terrain sous-marins par exemple. Les variations de Phi sur une telle gamme de valeur modifient les processus d’interactions locales tels que les couplages des particules entre elles ou avec l’écoulement turbulent ; ce qui modifie à son tour les effets dispersifs au sein du courant et le mélange de celui-ci avec le fluide ambiant, ayant ainsi un impact sur la dynamique globale des PLGCs. Plus précisément, deux questions fondamentales vont être abordées par le projet : quel est le rôle des interactions particule-turbulence dans les processus d’érosion/déposition à la paroi, dans la dispersion des particules et dans le mélange avec le fluide ambiant ? Quelle est l’influence de la rhéologie (non-Newtonienne) due aux particules dans la dynamique globale des PLGCs ?
Un verrou métrologique majeur à surmonter pour aborder ces questions sera la difficulté de mesurer les profils de vitesses et de concentration des particules dans le cas de suspensions denses, qui sont opaques pour les méthodes optiques traditionnelles. Afin de surmonter ces limitations, nous développerons des méthodes avancées basées sur l’acoustique et l’optique (adaptation d’indice optique couplée à des mesures PIV/PTV, mesures d’atténuations d’intensité acoustique et optique pour le suivi de concentration) au cours de la première année.
Le reste du projet est centré autour de la construction d’une base de données expérimentales obtenues grâce à trois dispositifs complémentaires basés aux LEGI/IRSTEA, LEMTA et à l’IMFT. Les approches expérimentales sont différentes car elles étudient des régimes différents des PLGCs (Tâches 1, 2, 3). Les différents scénarios considérés étudient aussi bien les processus locaux dans le cas de PLGCs en régime stationnaire et instationnaire, que la dynamique globale de PLGCs dans des régimes instationnaires issus de différentes configurations, et obtenus par un dispositif de lâcher de barrage à deux ou à trois dimensions. L’expertise expérimentale nécessaire et les métrologies à mettre en œuvre sont disponibles et complémentaires au sein des équipes. Les résultats issus des trois dispositifs expérimentaux contribueront à une modélisation de la rhéologie et de la dispersion turbulente en lien avec la présence des particules au sein des PLGCs, des effets aux parois dans ces courants (force de friction, transfert de masse et de quantité de mouvement). Les modèles génériques mis en place pourront être implémentés dans un outil numérique développé au LEGI, qui permettra de réaliser des simulations pouvant être directement confrontées aux résultats expérimentaux (Tâche 4).
Le consortium du projet PALAGRAM permet de regrouper des expertises variées sur les écoulements fluide-particules et leur modélisation, sur un même objet d’étude afin d'améliorer la connaissance et l’impact de ces écoulements complexes.