Transport éolien de particules cohésives: du sable à la neige – EOLE

Le transport de particules solides induit par le cisaillement d'un flux d'air turbulent au-dessus d’un lit de particules se produit dans de nombreux processus géophysiques, tels que le transport de sable par le vent, le transport de la neige ou l’émission de poussières. Le transport de particules implique une myriade de mécanismes physiques couplés, comprenant les interactions fluide-particule, particule-particule (collision en vol) et lit-particule (collision avec le lit). Une quantification précise de ces interactions dans le contexte de lits granulaires complexes, constitués notamment de particules cohésives, reste un défi majeur. Le transport de sable éolien avec des particules sphériques et non cohésives peut être considéré comme l'un des écoulements diphasiques naturels les plus simples, tandis que le transport de sable humide ou de neige se place à l’autre bout de l’échelle de la complexité.

La difficulté pour décrire les systèmes naturels précités provient entre autres du fait que la cohésion peut fortement évoluer dans le temps et l’espace. Le suivi de ces variations aux échelles temporelles et spatiales pertinentes est hors des capacités instrumentales actuelles. De même, les effets potentiels de la cohésion inter-particules sur le transfert de masse et d'énergie entre les particules en mouvement et le lit statique restent très mal documentés. Ainsi, la prédiction des flux massiques transportés pour ces systèmes est très incertaine.

L'objectif de ce projet est d'élucider le rôle de la cohésion dans le transport éolien de particules dans le but de mieux décrire la complexité des systèmes naturels tels que le sable humide et la neige. L’originalité et la force de notre approche est de modéliser la complexité des lits cohésifs naturels en utilisant des particules «modèles» de taille, de densité et de forme contrôlées et dont la cohésion peut être ajustée avec l’adjonction de liaisons liquides ou solides appropriées.

Notre stratégie est basée à la fois sur la réalisation d'expériences en soufflerie avec des systèmes granulaires modèles et sur le développement de simulations numériques basées sur de nouvelles approches hybrides fluide-particules permettant la prise en compte des interactions granulaires à l’échelle du grain. Les expériences réalisées avec des particules modèles constitueront une première étape avant d’aborder les systèmes naturels que sont le sable humide et la neige. L’accès à la soufflerie froide du centre National de Recherche en Sciences de la Terre et résilience aux catastrophes au Japon (NIED), instrument unique au monde, permettra de traiter le cas de la neige.

La caractérisation détaillée de ces systèmes exigera l'élaboration et la mise en œuvre des techniques instrumentales innovantes. Pour obtenir une description précise des particules mobiles dans la couche de transport, nous développerons des techniques de stéréo micro-imagerie jamais utilisées jusque là. La caractérisation des propriétés du lit (en terme de cohésion et de compacité) est un verrou technique qu’il faudra dépasser grâce au développement d’outils spécifiques basés sur des méthodes capacitives et acoustiques. Enfin, pour documenter l’effet de la cohésion sur le processus de collision lit-particule à un niveau de précision unique, un nouvel outil permettant de reproduire ce processus de manière contrôlée sera également développé.

Pour réaliser ce projet ambitieux, une équipe pluridisciplinaire aux compétences complémentaires a été formée, rassemblant des physiciens de l’Institut de Physique de Rennes (Partenaire 1), des géo-mécaniciens de l’Unité « Erosion Torrentielle, Neige et Avalanches » de Grenoble (Partenaire 2), et des experts en mécanique des fluides du «Laboratoire Thermique et Énergie de Nantes» (Partenaire 3). Les membres de cette équipe sont des expérimentateurs, des théoriciens et des experts en simulation numérique, et collaborent avec des partenaires étrangers reconnus internationalement.