Métrologie hydroacoustique des écoulements diphasiques turbulents appliquée à l'étude du transport sédimentaire – RUPTURE

Tous les écoulements géophysiques sont diphasiques, la plupart du temps turbulents. C’est le cas des rivières et des écoulements côtiers, où des sédiments reposant sur un fond mobile sont transportés par l’action de forces hydrodynamiques impliquant une multitude de processus fine-échelle. Comprendre ces processus de transport en condition turbulente est essentiel pour prédire le transport de sédiments, et anticiper les impacts liés à l’occurrence accrue d’événements extrêmes sur les systèmes côtiers et fluviaux. Ainsi, une attention grandissante s’est portée sur les approches de simulation numériques à turbulence résolue, menant à des avancées significatives dans la modélisation du transport sédimentaire, en particulier concernant l’évaluation et la compréhension des interactions entre la turbulence du fluide porteur et des particules dispersées. Cependant, la validité de ces modèles est contrainte par notre incapacité à mesurer les flux de sédiment (produit local de vitesse et fraction volumique des particules dispersées) à haute résolution en condition diphasique turbulente diluée ou dense. Seulement récemment, les techniques Doppler ultrasoniques ont offert la possibilité de résoudre les flux pour la phase dispersée en condition diluée et dense. Ces techniques suggèrent par ailleurs leur potentiel à suivre en parallèle la phase fluide en utilisant les propriétés de diffusion des microstructures turbulentes formées par la présence de quantités scalaires passives.
Le projet RUPTURE vise donc à initier des recherches originales portant sur la métrologie hydroacoustique du transport sédimentaire, avec pour objectif de définir de nouvelles méthodologies adaptées au suivi simultané des phases fluide et solide des écoulements turbulents diphasiques, à l’aide de systèmes sonar cohérents tir-à-tir. RUPTURE s’appuiera sur les plus récentes avancées scientifiques des domaines de la diffusion acoustique, de la mécanique des fluides et du traitement du signal, et emploiera des technologies de pointes pour produire des mesures diphasiques acoustiques compréhensibles. RUPTURE tirera partie d’une synergie entre approche expérimentale et approche numérique pour atteindre ses objectifs tant fondamentaux que méthodologiques et analytiques.
Un dispositif expérimental équipé d’un générateur de microbulles calibrées permettant de produire des écoulements turbulents isotropes mono et diphasiques, et son jumeau numérique, viendront assister RUPTURE dans la définition de scénarios d’inversion diphasique. Ces scénarios tireront partie des contrastes entre les propriétés de diffusion acoustiques de microstructures turbulentes et de particules solides. Cette synergie expérimental/numérique sera un environnement idéal pour permettre le développement de nouvelles générations d’estimateurs statistiques de flux particulaire, tirant entièrement partie des propriétés stochastiques inhérentes aux échos mesurés par le biais de sonars Doppler cohérents. Ces développements auront pour objectif l’étude de la dynamique des processus fins de transport sédimentaire dans les écoulements géophysiques turbulents dilués et denses, et leurs impacts sur le flux sédimentaire.
RUPTURE concrétise la première tentative de développement d’une méthodologie générale d’inversion hydroacoustique diphasique, basée sur les propriétés turbulentes de l’écoulement. A la fin du projet, RUPTURE améliorera notre capacité à mesurer des flux sédimentaires, et donc notre capacité à comprendre les processus fins de transport qui pour l’heure ne sont que partiellement pris en compte dans les simulations diphasiques, en raison du manque de données expérimentales. Dans ce contexte, RUPTURE produira des jeux de données uniques dédiés à l’étude des interactions turbulence-particules et leur rôle dans le transport. Les résultats de RUPTURE permettront d'améliorer les modèles morphodynamiques couramment utilisés par les ingénieurs en charge de la gestion des systèmes fluviaux et côtiers.