Influence of turbulent flow characteristics on the erosion, deformation, and transport of a sediment bed

Influence des caractéristiques turbulentes d'un écoulement sur l'érosion, la déformation et le transport d'un lit sédimentaire

Yann Devaux (1)

1 PPrime [Poitiers] - Institut Pprime [UPR 3346]

This research work presents an experimental study on the influence of a vortex flow over a sediment bed. The experiments are conducted in a free-surface water channel in the Pprime Institute. Two specific apparatuses, generating isolated vortices of vertical or horizontal axis, were designed during this project. This study focuses on the vertical device. A parametric study is performed with optical measurements (PIV, stereoscopic PIV), in particular with two conditions for the wall roughness. Some behaviour laws are thus established. The characterization of those swirling flows depicts a strong three-dimensional effect, as well as the presence of specific turbulent structures related to sediment transport phenomenon. The secondary section of this work focuses on the sediment suspension caused by a vertical vortex. Turbulent structures related to transport are studied, like the sediment plume behaviour. Reconstruction of the bed over a long period of time, using a stereo-correlation method, highlights scour and accretion regions, induced by the isolated vortex. Finally, a numerical study based on OpenFOAM is proposed. The suggested methodology reproduces the observed fluid and sediment behaviours. Validation of this numerical tool could bring some new study parameters, providing an in-depth comprehension on the quantity of mobilized sediments.

Ce travail de recherche présente une étude expérimentale de l’influence d’un écoulement tourbillonnaire sur un lit sédimentaire. Les expériences se déroulent dans un canal hydro-sédimentaire à surface libre, à l’Institut P’. Deux dispositifs permettant de générer des tourbillons isolés, d’axe vertical ou horizontal, ont été conçus lors de cette thèse. Ce travail se concentre sur le premier de ces montages : une étude paramétrique par mesures optiques (PIV, PIV stéréoscopique) est menée, notamment avec deux conditions de rugosité de paroi. Des lois de comportements sont ainsi établies. La caractérisation des écoulements tourbillonnaires révèle une forte tridimensionnalité, de même que la présence de structures turbulentes particulières, liées aux phénomènes de transport sédimentaire. Un second axe d’étude s’attache à la description de la mise en suspension de sédiments par un tourbillon d’axe vertical. Les structures turbulentes liées au transport sont étudiées, ainsi que le comportement du panache de sédiments. La reconstruction du lit sédimentaire sur un temps long, par l’utilisation d’une méthode de stéréo-corrélation, met en avant les régions d’affouillement et d’accrétion induites par le passage d’un seul tourbillon isolé. Enfin, une étude numérique basée sur OpenFOAM est proposée. La méthodologie exposée reproduit bien les comportements du fluide et des sédiments : la validation de cet outil permettrait d’aborder de nouveaux paramètres d’étude par la connaissance précise des quantités de sédiments mobilisés.

Mots clés: Unstationnary flow; Isolated vortex; Sediment transport; Erosion; Scour

Mots clés: Écoulement instationnaire; Tourbillon isolé; Transport sédimentaire; Érosion; Affouillement.

Domaines: Mécanique des fluides [physics.class-ph]; Dynamique des Fluides [physics.flu-dyn]; Géomorphologie

Yann Devaux. Influence des caractéristiques turbulentes d'un écoulement sur l'érosion, la déformation et le transport d'un lit sédimentaire. Mécanique des fluides [physics.class-ph]. Université de Poitiers, 2018. Français. ⟨NNT : 2018POIT2315⟩. ⟨tel-02044235⟩