UPThèses

Les problèmes associés au transport sédimentaire sont l'une des préoccupations majeures de notre société, tant d'un point de vue environnemental qu'économique. Nous disposons de peu d'informations sur la dynamique locale des phénomènes d'érosion et plus particulièrement pour les sédiments cohésifs. Dans cette étude, nous nous focalisons sur les phénomènes locaux agissant à l'interface eau-sédiment. Tout d'abord, un sédiment modèle transparent est réalisé en nous basant sur les propriétés rhéologiques des sédiments naturels. Pour cela, différents mélanges, à base de Laponite et de carboxyméthylcellulose, sont testés en faisant varier la concentration et le mode de fabrication. Les protocoles de mesures sont alors établis et une loi d'évolution des propriétés en fonction de la concentration en sédiment est déterminée. Puis, la qualification de la veine hydraulique de l'étude, sans présence de sédiment, est réalisée par des mesures optiques PIV. L'obtention des champs de vitesse moyens et instantanés nous a permis de calculer l'énergie cinétique turbulente ainsi que les contraintes laminaires et turbulentes agissant sur le fond. Enfin, des mesures similaires sont effectuées dans le canal en présence de sédiment pour des cas où le sédiment est entraîné ou non par les forces hydrodynamiques. L'accès à l’énergie cinétique turbulente ainsi qu'aux contraintes laminaires et turbulentes hydrodynamiques permet de comprendre les phénomènes locaux étant à l’origine de l'érosion. Les contraintes à l'interface sont comparées à celles obtenues dans le sédiment via la loi rhéologique mettant en évidence la présence d'une contrainte de cisaillement critique liée aux propriétés du sédiment.

Ce travail propose un modèle mathématique permettant de décrire le comportement thixotrope des suspensions de laponite. Ce modèle de comportement est élaboré afin de contrôler les propriétés physicochimiques de la suspension. Dans un premier temps, nous avons utilisé un modèle simple cinétique découlant directement du modèle d'Herschel-Bulkley. Par la suite nous avons mis en avant le modèle à double cinétique développé au cours de ce travail. Par la suite grâce aux techniques de mesures rhéologiques classiques, les protocoles de détermination des paramètres de ces deux modèles ont été mis en place. Une étude à l'échelle locale du comportement du fluide permettait de mieux comprendre comment s'organise la structure de la suspension en écoulement. Dans cette perspective nous avons, grâce à la technique de vélocimétrie par images de particules (PIV), réalisé des mesures de champs de vitesses locales. Ceci nous a permis d'observer le comportement de la suspension dans ses différents états, en écoulement et au repos. De plus, cette étude nous a permis de mettre en évidence dans le cas de la géométrie employée "disques coaxiaux", la formation d'un cône statique dont la taille dépend de la vitesse imposée au disque tournant. L'étude de la validité et de la bonne adéquation du modèle développé passe par une étude comparative mettant en jeux d'une part le modèle déjà existant d'Herschel-Bulkley et notre modèle. Une étude numérique faisant appel au code de calcul commercial Star-CD a été effectuée. Les deux modèles utilisés ont été introduits dans le code et des simulations ont été effectuées. La comparaison entre les résultats des mesures de PIV et les simulations ont mis en évidence que le modèle mis en place est plus représentatif de la physique de l'écoulement de la suspension de laponite que le modèle d'Herschel-Bulkley.