Comprendre les processus fins dans les régimes intenses de transport de sédiments – SHEET-FLOW

Le projet SHEET-FLOW vise à développer une nouvelle génération de modèles de transport de sédiments qui permette d'étudier le rôle des interactions turbulence-particules (tâches 2 & 3) sur une large gamme de conditions d'écoulement. Le développement de ce modèle nécessite la génération de nouveaux jeux de données expérimentales à haute résolution dans des conditions d'écoulement stationnaire et uniforme bien contrôlées en canal ouvert (tâche 1). Le modèle développé dans la tâche 2 et validé par rapport aux données de la tâche 1 sera utilisé pour étudier le rôle des interactions turbulence-particules sur les flux de sédiments et les rétroactions potentielles sur la dynamique de l'écoulement.

Nous avons réalisé la première campagne de mesure avec des particules de PMMA de 3mm. L’analyse est en cours et les résultats obtenus sont en accord avec nos expériences antérieures. Nous avons donc commencé à faire une étude systématique des données et un article de conférence a été rédigé.
Concernant la tâche 2, nous avons réalisé des Simulations des Grandes Echelles (SGE) des configurations de Kiger and Pan (2002) et Muste et al. (2005). L’étude de sensibilité aux forces fluide-particules : trainée, masse ajoutée et portance a montré pratiquement aucun effet des forces de masse ajoutée et de portance (tâche 2.1). Nous avons également développé un modèle de taille finie pour la force de trainée que nous avons validé sur les données expérimentales des deux configurations évoquées ci-dessus. Ces travaux ont fait l’objet d’une communication dans un congrès international (THESIS 2019, Newark, Delaware, USA, septembre 2019) et un article de journal est en cours de finalisation.

La compréhension des interactions turbulence-particules acquises au cours du projet ainsi que le modèle amélioré seront essentielles pour mettre à l'échelle les processus fins dans des problèmes à plus grande échelle tels que l'évolution des dunes lors des inondations, le transport des sédiments par les vagues sur les barre d'avant-côtes ou les courants de turbidité sur les marges continentales.

Mathieu, A., Chauchat, J., Bonamy, C., & Nagel, T. (2019). Two-Phase Flow Simulation of Tunnel and Lee-Wake Erosion of Scour below a Submarine Pipeline. Water, 11(8), 1727.

Le transport des sédiments contrôle l’évolution morphologique des rivières, des estuaires et des océans côtiers. C'est par nature un problème à deux phases impliquant des interactions fluide-particule et particule-particule couvrant toute la gamme de concentration en sédiments. Dans les zones denses, le transport est dominé par les interactions particule-particule (collisions intermittentes, contacts permanent) alors que dans les zones diluées, le transport des particules devient dominé par les structures turbulentes. Ces dernières peuvent être à leur tour affectées par la présence des particules. Dans les modèles conventionnels de transport de sédiments, basés sur une approche à une phase, les flux de sédiments transportés sont paramétrés par des formules empiriques dont les prédictions peuvent être erronées d'un facteur dix. Cette lacune est en partie due à l'apparition d’un régime de transport intense de sédiments en couche très concentrée appelé sheet flow dans la littérature anglo-saxonne.

Le projet SHEET-FLOW développe une approche de modélisation à deux phases qui intègre potentiellement la majorité des processus physiques en jeu. Il repose sur une synergie étroite entre la modélisation et l'instrumentation acoustique avancés, résolvant les vitesses et la concentration aux échelles turbulentes. Ce programme sera appliqué à la configuration bien contrôlée d’écoulements en canal ouvert dans le canal à pente variable du LEGI (Grenoble, France) long de 10 mètres. Une large gamme de conditions d'écoulement et de propriétés sédimentaires seront testées avec des particules légères de PMMA (1 et 3 mm) et des sables moyens et grossiers. Le forçage d'écoulement couvrira le régime de sheet flow correspondant à des nombres de Shields compris entre 0,5 et 2. Pour ces conditions, l'inertie des particules devrait influencer significativement les flux de sédiments et les mécanismes d'amortissement de la turbulence. Une autre caractéristique importante à laquelle nous nous intéresserons est le rôle des bursts intermittents de sédiments sur la rugosité hydrodynamique.

L’objectif final du projet SHEET-FLOW est de développer des modèles de sous-maille précis pour les modèles diphasiques à turbulence résolue, également appelés Simulations des Grandes Echelles (SGE), du transport de sédiments dans le régime de sheet flow. Ces modèles de sous-maille englobent les forces fluide-particule et les contraintes des phases fluides et particulaires. Différents choix de modélisation seront testés parmi lesquels la décomposition de Germano, le modèle de diffusion par gradient (isotrope et anisotrope) et le modèle structurel dynamique. Une analyse a priori des simulations SGE hautes résolutions sera utilisée pour déduire les dépendances fonctionnelles des modèles de sous-maille aux variables filtrées instantanées, telles que la vitesse, la concentration et leurs gradients spatiaux, ainsi que la taille du maillage. Les résultats des simulations diphasiques SGE seront utilisés pour étudier les processus à petites échelles conduisant aux mécanismes de modulation de la turbulence, à la dispersion turbulente des particules et à l'interaction entre la turbulence et les interactions particule-particule. La méthodologie consistera à étudier le bilan d’énergie cinétique turbulente résolue et les contributions relatives des différents termes de contrainte au bilan de quantité de mouvement du mélange fluide-particule.

Les résultats des simulations diphasiques SGE serviront également à déterminer des paramétrisations empiriques pour les modèles diphasiques à turbulence moyennée. Ce dernier objectif est essentiel pour intégrer le plus précisément possible les processus d'interaction turbulence-particule à petite échelle dans des problèmes à plus grande échelle tels que l'évolution des dunes pendant les crues, le transport des sédiments par les vagues sur les barres d’avant côte ou les courants de turbidité sur les marges continentales.