Nous avons réalisé des avancées théoriques, expérimentales et numériques pour mieux comprendre la dynamique turbulente et les processus de transport sédimentaire. Récemment, Antoine Mathieu, dans le cadre de sa thèse (Financement DGA/SHOM) a poursuivi le développement du modèle diphasique SGE en y ajoutant un modèle de taille finie (voir figure 1). Parallèlement, Helder Guta (cofinancement ANR SheetFlow / campus France) a développé une approche expérimentale dans la continuité de la thèse de T. Revil-Baudard avec une nouvelle installation permettant de contrôler le débit solide à l’entrée du canal. Grace à cette nouvelle installation nous avons exploré une gamme de paramètres (taille des sédiments et conditions hydrauliques) beaucoup plus grande. Nous avons publié des mesures co-localisées à haute résolution des profils verticaux de vitesse et de concentration dans le régime de charriage intense (Guta et al., JHE 2022). Ces données sont uniques et représentent un intérêt majeur pour la communauté de l’ingénierie hydraulique. En particulier, elles ont un grand potentiel pour mieux comprendre l’interaction entre l’hydrodynamique et les particules en suspension à des concentrations où le couplage à quatre voies, "four way coupling", encore mal compris, est dominant. L’article a d’ailleurs été sélectionné par l’éditeur de JHE dans sa sélection (Editor’s Choice Collection). D’un point de vue scientifique, nous avons réussi à montrer que la présence de la couche de charriage a un impact important sur la structure verticale de l’écoulement chargé de particules. La zone de profil logarithmique de vitesse est déplacée vers le haut et ce déplacement est accompagné d’une forte réduction du mélange turbulent (viscosité turbulente). La modification de la longueur de mélange affecte la formulation théorique des profils de vitesse et de concentration dans la couche de suspension via un effet non-local. Un autre article est en révision dans le Journal of Fluid Mechanics sur l’influence des particules sur les bilans d’énergie cinétique turbulente. Une nouvelle ANR PRCI (sedExp, PI : D. Hurther, LEGI, 2023-2027) en partenariat avec l’EPFL (Lausanne, Suisse) prolongera le travail de thèse d’Helder Guta.
En collaboration avec le Karlsruher Institut für Technologie (KIT) nous avons fourni une preuve expérimentale du phénomène de réduction de la vitesse de sédimentation dans des colonnes turbulentes (Akutina, Y. et al., PRF 2020). Nos observations montrent que les particules interagissent avec les structures turbulentes pour ralentir leur vitesse de chute, un phénomène critique dans les écoulements naturels et industriels, notament pour le transport en suspension dilué. Dans la continuité de ces travaux et des thèses de T. Revil-Baudard au LEGI (2011-2014) et de Z. Cheng à l’Université du Delaware (2010-2016) nous avons tenté d’élucider la controverse autour de la valeur du nombre de Schmidt turbulent dans les couches limites chargées de particules (Chauchat, J. et al., 2022). À travers des simulations et des comparaisons expérimentales, nous avons identifié que des valeurs plus petite que l’unité pour le nombre de Schmidt sont très probablement dues à la réduction de la vitesse de chute des particules et non à une augmentation de la dispersion turbulente des particules en suspension. Enfin, dans le cadre d’une collaboration avec l’Université Technique de Delft (Hollande), nous avons exploré le rôle des interactions fluide-particule dans la modulation de l’énergie cinétique turbulente, en particulier leur impact sur le phénomène d’érosion des particules sédimentaires du lit (Keetels, G., Chauchat, J., & Breugem, W.-P., JFM 2023). Les résultats montrent que les particules altèrent localement les caractéristiques de la turbulence, ce qui influence directement les processus de remise en suspension des sédiments. L’ensemble de ces travaux soulignent les défis liés à la compréhension des écoulements multiphasiques, particulièrement en présence de sédiments. Ils mettent en évidence le rôle central des interactions entre turbulence, particules et écoulements dans les processus de transport, tout en proposant des outils et des modèles pour améliorer les prédictions. Ces recherches s’avèrent cruciales pour la gestion des milieux naturels soumis à l’érosion ou à la sédimentation.
Figure : Visualisation d’un isocontour de concentration réalisé avec Blender à partir d’une simulation SGE bi-fluide (sedFoam) de transport de particule en suspension (Mathieu et al. JFM 2021).
Références
Guta, H., Hurther, D., & Chauchat, J. (2024). Turbulent kinetic energy budget of sediment-laden open-channel flows : bedload-induced wall-roughness similarity. Journal of Fluid Mechanics, 987.
Keetels, G., Chauchat, J., & Breugem, W. - P. (2023). Role of turbulent kinetic energy modulation by particle–fluid interaction in sediment pick-up. Journal of Fluid Mechanics, 955, 37.
Chauchat, J., Hurther, D., Revil-Baudard, T., Cheng, Z., & Hsu, T. - J. (2022). Controversial turbulent Schmidt number value in particle-laden boundary layer flows. Physical Review Fluids, 7(1), 014307.
Guta, H., Hurther, D., & Chauchat, J. (2022). Bedload and Concentration Effects on Turbulent Suspension Properties in Heavy Particle Sheet Flows. Journal of Hydraulic Engineering, 148(7), 04022012.
Mathieu, A., Chauchat, J., Bonamy, C., Balarac, G., & Hsu, T. - J. (2021). A finite-size correction model for two-fluid large-eddy simulation of particle-laden boundary layer flow. Journal of Fluid Mechanics, 913.
Akutina, Y., Revil-Baudard, T., Chauchat, J., & Eiff, O. (2020). Experimental evidence of settling retardation in a turbulence column. Physical Review Fluids, 5(1).
