Érosion et déplacement des sédiments

L’écoulement cisaillé appliqué sur la surface concave des particules conduit au déplacement de ces dernières. L’interaction entre les particules et l’écoulement tend continuellement à transformer le tas de particules ou la barre de particules en forme de barkhane ou plusieurs barkhanes. Les forces hydrodynamiques et les forces de la pesanteur se disputent le mouvement ou l’inertie des particules. En vertu d’une forte turbulence, les particules ont tendance à se déplacer par roulement sur le dos de la

Point de décollement

a)

b)

barkhane. La tomographie laser, nous a permis de suivre le déplacement des particules le long des barkhanes. La Figure V- 31 montre le déplacement des particules. Au début de la perturbation, les particules les plus fines sont transportées par roulement ou par glissement les unes sur les autres (du pied du tas ou de la barre) vers la crête, puis elles sont entrainées avec l’écoulement au raz du fond vers l’aval de la barkhane. Ces particules ne vont pas très loin car elles sont directement interceptées par un courant de retour qui vient de prendre naissance à l’aval de la barkhane juste après l’initiation de la perturbation. Par conséquent, elles tombent en avalanches successives vers l’aval de la barkhane. ωependant, un flux très faible de particules quitte l’ensemble de la forme initiale à cause de leur légèreté. Après quelques secondes de perturbation, le déplacement des particules est accéléré par l’écoulement et une zone de recirculation se forme et influence de près le comportement de ces particules. Par conséquent, la trajectoire des particules qui sont arrachées au niveau de la crête est affectée par l’écoulement de retour.

Figure V- 31 Mouvement de particules au début de la perturbation (Uc = 0.4m/s et he = 30cm)

La durée d’entrainement des grains est illimitée, tant que l’écoulement est en marche ces particules sont entrainées. Lorsque les conditions de forçage débutent, les particules à l’amont de la barre sont déplacées en premier. Certaines viennent se poser sur le sommet de la barkhane [Figure V- 32], d’autres moins légères sont entrainées dans la zone de recirculation sans pour autant se détacher de la barre. Le courant de retour entraine ces particules vers le creux de la barre. La zone de recirculation est plus prononcée quand il s’agit d’une barre que lorsqu’il s’agit d’un tas de particules [Figure V- 33]. Lorsque la hauteur de l’écoulement est de 10 cm ou 20 cm, la zone de recirculation est visible sur les images. En revanche, à h = 30 cm, la zone de recirculation ne dépasse pas la longueur des cornes et peu de particules sont emportées dans la zone de recirculation, le flux global de particules est plutôt déplacé par roulement puis déposé sur la face d’avalanche. Par conséquent, le cisaillement dû à l’écoulement est suffisamment intense pour entrainer ces particules mais n’est pas assez fort pour les mettre en suspension. Pour cette hauteur, la contrainte de frottement est de 0.02 m/s avec un nombre de Shields de 0.22, la force motrice est moins importante, cela conduit à un roulement de particules très réduit et la force de résistance notamment la pesanteur freine l’action exercée par les forces de l’écoulement sur les particules.

Particules transportées par roulement Particules transportées par les _{tourbillons de la zone de}

recirculation

t0

he =10 cm he =20 cm he =30 cm t0 t0 + 1 s t0 + 2 s t0 + 3 s

Figure V- 32 Transport de particules à ub = 0.3m/s : forme initiale : barre de particules (he = 10, 20 et 30 cm

avec respectivement μ ϴ = 0.28, 0.24 et 0.22) he =10 cm he =20 cm he =30 cm t0 t0 + 1 s t0 + 2 s t0 + 3 s

Figure V- 33 Transport de particules à ub = 0.3 m/s : forme initiale : tas de billes (he = 10, 20 et 30 cm avec

respectivement μ ϴ = 0.28, 0.24 et 0.22)

Le déluge de particules qui se produit sur la face d’avalanche reflète la saturation du flux au niveau du sommet de la barkhane. Au départ, les particules essaient de gagner le sommet de la barkhane par roulement de particules. Après 4.2 secondes de l’excitation, le sommet du tas devient saturé donc les particules sont incitées à s’écrouler vers la face sous le vent. Sur la Figure V- 34-a, nous assistons au déplacement de la première particule. La figure de droite [Figure V- 34-b] montre que le courant de retour ne retient pas toutes les particules qui sont arrachées au sommet du tas.

Figure V- 34 Déplacement de la première particule entrainée par l’écoulement du sommet vers la face

d’avalanche sous le vent (Uc = 0.4 m/s, he = 30 cm, a : t= t0 + 4.2s, b : t = t0 +11.7s)

Première particule à se déplacer après saturation a)

À l’amont du tas, la dynamique de l’écoulement ne semble pas trop affecter les particules et leur déplacement. Cependant, dans des zones de fortes fluctuations, notamment la zone de recirculation il y a davantage de particules soulevées et transportées

Maintenant, nous allons suivre la trajectoire d’une particule du pied au creux de la barkhane. Nous avons constaté que les barkhanes perdent des particules au niveau des cornes, donc leurs tailles diminuent avec le temps. Par contre, cette évolution est très lente par rapport au déplacement de la barkhane. Par ailleurs, nous constatons qu’à la fin de l’enregistrement, la taille des barkhanes n’est pratiquement pas modifiée. La Figure V- 35 représente des cartographies successives d’un écoulement turbulent à l’aval d’une barkhane issue d’une barre isolée. Les trois cartographies représentent le transport de particules du pied de la barkhane vers la face d’avalanche de la barkhane. Les premières entités de particules à être déplacées par l’écoulement sont les particules qui se trouvent au pied de la barkhane. Les particules vont rouler sur le dos de la barkhane jusqu’à son sommet (noté 1 sur la Figure V- 35). Cette migration de particules vers le sommet crée un surplus de support en particules à la crête de la barkhane, en conséquence un déluge de particules est entrainé dans la face d’avalanche (noté 2 sur la Figure V- 35). Lorsque la force de trainée (notée FD : cf. I.1.1) est supérieure à la force de soulèvement (FL), les particules se déposent sur le côté sous le vent de la barkhane (noté 3 sur la Figure V- 35). Les particules les plus légères sont entrainées plus loin, mais elles sont contournée par le courant secondaire et elles sont déposées à leur tour dans la face d’avalanche (noté 4 sur la Figure V- 35).

Figure V- 35 Transport d’une barre de particules sous un écoulement d’une hauteur de 10 cm et d’une vitesse de

0.3 m/s. Les images de gauche représentent des prises de vue au moyen d’un laser à pulsion continu, avec une

fréquence d’acquisition de 10 Hz. Les images de droite représentent un zoom du sommet de la barkhane de chaque image de gauche