Study of the influence of the grain size distribution on the erosion threshold for non-cohesive sediments, using the Discrete Element Method
Etude de l'influence de la distribution de la taille des grains sur le seuil d'érosion des lits de sédiments non cohésifs par la méthode DEM
Résumé
The models for the erosion and transport of sediments that are currently used rely on empirical data obtained from experiments with sediments having a uniform or unimodal distribution. But there are many practical situations for which the size distribution is significantly different from this assumed distribution, and laboratory and field experiments have shown that the erosion threshold and the transport rate depend on the size distribution and the range of particle sizes. The aim of this study is therefore to investigate and explain the influence of size distribution on erosion and transport rates, using a numerical model that has been developed specifically to study this problem. The sediment bed is assumed to consist of individual, non-cohesive, spherical particles, and the physical interactions between the particles are modelled explicitly, using the Discrete Element Method developed by Cundall and Strack (1979). The flow above the bed is computed using the FLOWSTAR model (Carruthers et al 2000) which was originally developed to compute the flow in the atmospheric boundary layer above arbitrary topography. These two models are coupled, and the resulting numerical code has been used to investigate the temporal evolution of erosion and transport rates agree well with experimental measurements, and the DEM provides additional information concerning the temporal evolution of the particle size distribution within the bed.
Les modèles d'érosion et de transport couramment utilisés sont construits à partir de données empiriques obtenues avec des sédiments de granulométries quasi uniformes. Or, il y a beaucoup de situations pour lesquelles la granulométrie des sédiments n’est pas uniforme. Les expériences réalisées en laboratoire et dans les rivières montrent que l’érosion et le transport des sédiments dépendent de la dispersion du diamètre des grains. Cette observation est à l’origine de cette thèse qui a pour objectif l’étude de l’influence de la distribution du diamètre des grains sur le transport de sédiments. Cette influence est envisagée à partir du développement d’un modèle numérique. La prédiction de l’érosion et du transport de sédiments tient de la résolution de deux problèmes : le premier est lié à l’écoulement au dessus du lit, le second à la mise en mouvement du sédiment. Le modèle développé détermine explicitement le mouvement des grains dans le lit de sédiments lorsque sa face supérieure est soumise à un écoulement. Pour cela, il mobilise la Méthode des Eléments Discrets (DEM), développée par Cundall et Strack (1979). Afin de reproduire l’effet de la topographie du lit sur le champ de vitesse du fluide, le modèle DEM est couplé avec le modèle d’écoulement FLOWSTAR. Le modèle FLOWSTAR est proposé par Carruthers et al. (2004) pour déterminer l’écoulement moyen dans une couche limite turbulente atmosphérique au-dessus des collines de faible pente. Le modèle numérique développé est appliqué à différents types d’arrangements de grains. Il permet d’estimer l’évolution du débit de sédiments au cours du temps pour différentes vitesses de frottement. Les seuils d’érosion des lits et l’évolution des débits de sédiments en fonction de la vitesse de frottement sont conformes à l’expérience. L’utilisation de l’approche DEM permet par ailleurs de connaître le comportement des grains dans et à la surface du lit au cours du temps (profil vertical de la vitesse des grains à l’intérieur de l’arrangement par exemple)
Origine : Version validée par le jury (STAR)