Apparition, croissance et saturation des structures

5.1.3 Evolution de l’interface `a l’entr´ee du canal. 5.2 Des structures jamais observ´ees ?

5.2.1 Ondes `a la surface d’une suspension cisaill´ee 5.2.2 Couches de m´elange entre fluides.

5.3 R´egime de croissance initial 5.3.1 Seuil de l’instabilit´e 5.3.2 Un r´egime initial lin´eaire 5.3.3 Influence des param`eres

5.3.4 Comparaison avec la couche de m´elange inertielle 5.4 R´egime non-lin´eaire

5.4.1 Evolution vers une saturation

5.4.2 Evolution de la morphologie des rides 5.4.3 Influence des param`etres de contrˆole

5.4.4 Rˆole de l’avalanche dans la saturation des rides `a tourbillon 5.5 Conclusion

Comme pr´esent´e dans le chapitre 4, lorsqu’on place le lit granulaire immerg´e `a un angle d’inclinaison au-dessus de l’angle de mouvement, un m´elange concentr´e de particules et de fluide s’´ecoule `a la surface d’un tas solide sur une ´epaisseur de quelques dizaines de grains. Si on applique alors un fort cisaillement `a la surface de cette avalanche, par l’interm´ediaire d’un contre-´ecoulement de fluide clair qui remonte la pente, on observe la formation de structures p´eriodiquement espac´ees tout au long de l’interface. Ces rides, qui semblent

H. Raguet

Fig. 5.1 – Gros plan sur une ride `a tourbillon, photo prise dans le r´ef´erentiel de la cellule. Un tourbillon de fluide, mat´erialis´e par les grains ´eject´es, est pr´esent `a l’aval de la dune.

n’avoir jamais ´et´e d´ecrites comme telles dans la litt´erature, se propagent dans la direc-tion de l’´ecoulement d’eau, en remontant la pente et sont caract´eris´ees par la pr´esence d’un tourbillon de grains en aval de la dune, comme on peut le voir sur la figure 5.1. Au cours du temps, ces structures croissent en amplitude et longueur d’onde jusqu’`a un ´etat satur´e caract´eris´e par une amplitude, une longueur d’onde et une vitesse de translation alors constantes si on se place assez loin de l’entr´ee du canal (Doppler et al., 2004). Aux temps longs, un r´egime de croissance spatiale repr´esent´e sur la figure 5.2 succ`ede donc au r´egime de croissance temporelle. Dans le r´egime de croissance spatiale, les structures qui apparaissent au niveau de la languette croissent en s’´eloignant du point d’injection puis saturent `a une distance finie du point d’injection. Ce comportement rappelle l’effet de fetch bien connu des navigateurs en mer : pour une vitesse moyenne de vent donn´ee, la hauteur moyenne des vagues d´epend `a la fois de leur ˆage et de la distance sur laquelle souffle le vent (Gutelle, 1995).

La description qualitative du m´ecanisme de propagation des rides et de la dynamique de l’interface grains/fluide fait l’objet de la premi`ere partie de ce chapitre. Les deux parties suivantes sont consacr´ees `a la caract´erisation du r´egime initial puis du r´egime satur´e. Cette caract´erisation s’appuie sur des exp´eriences r´ealis´ees en variant les deux param`etres de contrˆole β et U ainsi que le diam`etre des particules.

U β

Fig. 5.2 – Rides `a tourbillon `a l’entr´ee du canal, apr`es quelques minutes d’exp´erience. (β = 38◦

5.1. PR ´ESENTATION DES STRUCTURES 95

5.1 Pr´esentation des structures

Cette partie d´ecrit les caract´eristiques g´en´erales des rides `a tourbillons observ´ees en milieu de canal, pour des valeurs suffisamment ´elev´ees des param`etres de contrˆole β et U . Nous verrons dans la partie suivante que les valeurs des param`etres d´elimitant le domaine d’existence des rides `a tourbillon sont l´eg`erement sup´erieures des valeurs seuil de transport granulaire par avalanche et ´erosion hydrodynamique. Une exp´erience typique consiste `a basculer la cellule `a un angle β fixe et appliquer simultan´ement un ´ecoulement d’eau de vitesse moyenne U .

La figure 5.3 pr´esente l’allure de la surface granulaire telle qu’on peut l’observer apr`es environ une minute d’exp´erience, en milieu de canal. L’interface est structur´e en motifs p´eriodiques, d’amplitude typique 1 cm et de longueur d’onde typique 10 cm. Ces struc-tures pr´esentent un profil et une dynamique asym´etriques : elles se propagent dans le sens de l’´ecoulement d’eau `a une vitesse d’environ 1 cms−1, pour une vitesse d’´ecoulement de l’eau d’environ 20 cms−1. On observe entre deux rides voisines la pr´esence d’un fort tour-billon de fluide mat´erialis´e par les grains en suspension sur la figure 5.1. Ce tourtour-billon explique le choix du terme rides `a tourbillon, (vortex ripples en anglais). Il ne faut toute-fois pas confondre les structures ´etudi´ees dans le pr´esent chapitre avec les rides `a tourbillon souvent d´ecrites dans la litt´erature, qui se forment sous l’action d’un ´ecoulement oscillant. Dans le cas pr´esent d’un ´ecoulement d’eau continu, le tourbillon est permanent alors qu’il est transitoire et altern´e dans le cas d’un ´ecoulement d’eau oscillant.

Enfin, contrairement `a la plupart des motifs s´edimentaires rencontr´es dans la nature ou en laboratoire, lorsque l’´ecoulement d’eau n’est plus appliqu´e, les rides `a tourbillon ´etudi´ees dans ce chapitre s’att´enuent puis disparaissent.

U

β

Fig.5.3 – Photo de l’interface prise en milieu de canal apr`es une minute d’exp´erience. Les rides `a tourbillons forment un motif p´eriodique `a la surface du lit granulaire, d’amplitude millim´etrique et de longueur d’onde centim´etrique. Ces structures se propagent `a une vitesse de quelques millim`etres par seconde, 10 `a 100 fois moins ´elev´ee que la vitesse de l’eau loin des grains. (β = 43◦

x (cm ) t (s) 45 55 65 75 85 5 10 15 20 0

Fig. 5.4 – Diagramme spatio-temporel caract´eristique des premiers instants d’une exp´erience. Les cam´eras sont positionn´ees au centre du canal. Des ondulations r´eguli`erement espac´ees (≈ 2 cm) apparaissent tout au long de l’interface et croissent en se propageant. On observe tr`es rapidement (≈ 3 s) la disparition de certaines structures. (β = 40, 9◦

5.1. PR ´ESENTATION DES STRUCTURES 97 t (s) x (cm) 45 55 65 75 85 30 60 90 120 150 180 0

Fig. 5.5 – Diagramme spatio-temporel aux temps longs de la mˆeme exp´erience. Le syst`eme ´evolue vers un ´etat caract´eris´e par une longueur d’onde (≈ 8 cm) et une vitesse de phase des structures (≈ 0, 45 cms−1) quasi-constantes, avec quelques variations autour des valeurs moyennes. (β = 40, 9◦

, U = 0, 3 m s−1, d = 132 µm)

5.1.1 Apparition, croissance et saturation des structures.

La dynamique du syst`eme d´ecrite dans la suite de ce paragraphe reste qualitativement la mˆeme lorsqu’on varie les valeurs des param`etres de contrˆole β et U ou bien le diam`etre des particules d. L’influence de ces trois param`etres sur les valeurs des grandeurs caract´erisant le syst`eme (vitesse, amplitude, longueur d’onde) sera ´etudi´ee en d´etails dans les parties suivantes.

Le diagramme spatio-temporel de la figure 5.4 illustre l’´evolution caract´eristique de la sur-face granulaire au cours des premiers instants d’une exp´erience. D`es la premi`ere seconde, des ondulations quasi-p´eriodiques apparaissent `a la surface de l’avalanche. Sur la figure 5.6 a), le spectre spatial de l’interface exhibe plusieurs pics dont un plus ´elev´e `a la longueur d’onde λi ≈ 2, 5 cm. Ces vagues de sable se propagent dans la direction de l’´ecoulement de fluide clair en conservant une vitesse et un espacement quasi-constants. On observe rapi-dement (t ≈ 3 s) la disparition de certaines structures tandis que les autres persistent. La vitesse de propagation ci ≈ 0, 45 cms−1 est quasi-constante, et les structures ralentissent l´eg`erement lors de la disparition d’une ride voisine. Au cours de cette phase de croissance initiale, le syst`eme subit un ph´enom`ene de mˆurissement ou coarsening : l’amplitude des structures augmente et les modes sous-harmoniques de longueurs d’onde λ ≈ 4 cm puis 8 cm, d´ej`a pr´esents aux instants initiaux sont amplifi´es. Ce changement de longueur d’onde

45 55 65 75 85 - 0,5 0 0,5 1 h (cm) x (cm) 45 55 65 75 85 - 0,5 0 0,5 1 h (cm) x (cm) 45 55 65 75 85 - 0,5 0 0,5 1 h (cm) x (cm) a) b) c) 45 55 65 75 85 - 0,5 0 0,5 1 h (cm) x (cm) d) 0 0,25 0,5 0,75 0 0,5 1 DSP 1/λ (cm-1) 0 0,25 0,5 0 2 4 DSP 0 0,25 0,5 0 2 4^{x 10} 4 DSP x 10³ x 10² 1/λ (cm^-1) 1/λ (cm^-1) 0,75 0,75 0 0,25 0,5 0,75 0 2 4^{x 10} 4 DSP 1/λ (cm^-1)

Fig. 5.6 – Allure de l’interface `a diff´erents instants. a) t = 1 s b) t = 5 s c) t = 25 s d) t = 60 s, et densit´e spectrale de puissance associ´ee. Les ondulations qui ´emergent du bruit (λ ≈ 2, 5 cm) tout au long de l’interface adoptent un profil fortement non lin´eaire au cours de leur croissance. La longueur d’onde λ du syst`eme ainsi que l’amplitude moyenne A des structures augmentent au cours du temps puis saturent au-del`a de t ≈ 40 s. β = 40, 9◦

, U = 0, 3 m s−1, d = 132 µm.

5.1. PR ´ESENTATION DES STRUCTURES 99 moyenne est la cons´equence de la disparition de structures. On remarque sur le diagramme spatio-temporel 5.4 que ces disparitions ne sont pas forc´ement simultan´ees.

Aux temps longs, le syst`eme pr´esente une ´evolution typique illustr´ee par le diagramme spatio-temporel de la figure 5.5. On observe sur cette figure qu’au-del`a de 40 s, le syst`eme pr´esente une longueur d’onde λ<sub>f</sub> ≈ 8 cm et une vitesse de phase des structures c<sub>f</sub> ≈ 0, 4 cm s−1 quasi-constantes, avec quelques variations autour des valeurs moyennes. De plus, l’intensit´e des stries ´evolue peu, ce qui montre que le syst`eme a pratiquement atteint un ´etat satur´e. En effet, d’apr`es les courbes (c) et (d) de la figure 5.6, l’amplitude, la forme des structures et la longueur d’onde du mode pr´epond´erant sont peu modifi´es entre les instants t = 25 s et t = 60 s.

Les rides `a tourbillon pr´esentent donc une phase de croissance suivie d’une saturation en amplitude et longueur d’onde. Au cours du temps, le profil des structures persistentes ´evolue vers une forme fortement non lin´eaire (figure 5.6 a `a d). Les caract´eristiques de ce profil peuvent ˆetre mieux comprises si on s’int´eresse `a la dynamique locale d’une ride.