Choix du produit modèle et du protocole de la mise en place dans la veine

Après l’étude rhéologique du sédiment modèle mère (1% Laponite+ 0,5% CMC) d’une part (chapitre 2) et la qualification de la veine hydrosédimentaire dans différentes configurations d’autre part (chapitre 3), il est nécessaire de trouver le sédiment modèle convenable pour faire des expériences d’érosion. Néanmoins, les conditions de rugosité du radier placé à l’amont du sédiment vont générer des conditions hydrodynamiques différentes et l’érosion ou non du sédiment modèle. Une première expérience faite avec le sédiment modèle mère a montré visuellement que le sédiment n’est pas entraîné même pour notre plus grande vitesse débitante (0,07 m/s). Par conséquent, il faut utiliser pour les expériences d’érosion un sédiment modèle dilué. De plus, la veine hydrodynamique nécessite un matériau qui va s’éroder pour des vitesses débitantes inférieures à 0,03 m/s (chapitre 3). Comme le matériau est transparent cela rend difficile de visualiser facilement son érosion ou non sans mesure PIV. Pour cela, des expériences préliminaires sont réalisées en colorant le sédiment modèle testé par un colorant alimentaire vert. Nous avons vu dans le chapitre 2 que ce colorant n’influe pas sur les caractéristiques rhéologiques du sédiment modèle ce qui nous permet de l’utiliser. Ces expériences avec le colorant nous permettent de voir l’arrachement de la matière lorsqu’il est soumis à des forçages hydrodynamiques.

Des suspensions transparentes du sédiment modèle mère sont préparées par lot de 1 litre. Elles sont laissées au repos pendant 20 jours au minimum avant de faire les expériences d’érosion pour s’assurer de la stabilité des caractéristiques rhéologiques.

La suspension diluée utilisée dans les expériences d’érosion est préparée à partir de la suspension mère. La masse préparée est de 520 g à chaque fois (512 g pour le test d’érosion qui est égale à la masse nécessaire qu’il faut mettre dans la cavité de la veine et 8 g pour faire un test rhéologique). L’agitation de la suspension diluée se fait durant 5 min en utilisant l’agitateur Controlab à hélice à vitesse de rotation de 270 tr/min pour homogénéiser la suspension avant de faire l’expérience.

1.1. Protocole de la mise en place du sédiment modèle dans la veine

Le protocole de mise en place du sédiment modèle dans la veine hydrosédimentaire constitue l’étape la plus délicate du travail. Pour cela plusieurs expériences ont été menées et ont conduit à définir le protocole convenable suivant :

1- Les deux plaques d’épaisseur 1 cm constituant le radier sont collées par le scotch double face en amont et en aval de la cavité où se trouve le sédiment. Chaque plaque est collée par les deux extrémités. Une cavité de dimension 16 cm 16 cm 2 cm est ainsi créée. 2- La suspension diluée est versée lentement dans la cavité jusqu’à araser le niveau des

plaques.

3- Un film plastique semi-rigide est placé sur le sédiment en le maintenant en amont et en aval avec du scotch (condition CL). Dans le cas rugueux CR-(P180 ou P40), le côté

Chapitre 4

amont est fixé en utilisant une masse rectangulaire et le côté aval est maintenu avec du scotch. Le but de cette étape est de protéger le lit sédimentaire et éviter le contact avec l’eau lors du remplissage de la veine. Par cette étape, nous essayons de conserver les caractéristiques du sédiment modèle avant de commencer l’expérience. La figure suivante montre le sédiment modèle coloré (cas des expériences préliminaires) après sa mise en place.

Masse rectangulaire Côté aval maintenu par le scotch

Figure 4. 1: Le film en nylon est posé sur le sédiment modèle dans le cas de CR-P40

4- La veine est remplie par un tuyau d’arrivée que l’on éloigne du sédiment (avec un débit faible pour éviter les perturbations du lit) tout en chassant les bulles d’air dans les pailles d’entrée (figure 4.2). Il faut 40 minutes pour remplir entièrement la veine. À noter qu’après le remplissage, l’eau du canal n’est pas encore ensemencée de fines particules dédiées aux mesures PIV.

Chapitre 4

5- La veine est fermée par le couvercle, puis la pompe P3 est démarrée à faible débit (38,943 dm3/min) pour enlever les bulles d’air qui se trouvent en amont de l’entrée, avant le nid d’abeille. Cette étape revêt une importance particulière notamment dans le cas des mesures PIV car elle permet, après remplissage de la veine, d’ajouter de l’eau ensemencée de particules dans la zone d’étude. Les mesures PIV peuvent alors commencer dès les premiers instants.

6- Le couvercle est enlevé et le film protecteur est retiré manuellement en prenant toutes les précautions pour ne pas perturber la suspension diluée.

7- La veine est refermée par le couvercle tout en chassant les bulles d’air sur ce dernier par l’aimant.

8- La température d’eau dans la cuve est relevée. Elle est supposé égale à la température dans le canal du fait de l’étape 5 qui a amené l’eau de la cuve dans le canal.

Le débit d’étude de l’expérience d’érosion est imposé brutalement et les mesures PIV peuvent débuter directement. La phase où le sédiment est en contact avec l’eau sans écoulement imposé dure 5 min maximum, ce qui ne laisse pas le temps à une dilution de s’opérer.

La procédure est recommencée pour chaque nouvel échantillon de sédiment en vidangeant le canal, en nettoyant et séchant la veine.

1.2. Choix du sédiment modèle et de la condition d’étude

Le choix du sédiment modèle et des conditions d’étude sont basés sur les résultats des essais préliminaires. Ces expériences sont regroupées dans le tableau 4.1. Les expériences 6 et 12 sont répétées et sont représentées dans le tableau par 6(2) et 12(2) respectivement. La durée de chaque expérience est de 2 heures. Dans ce cas, 1g de colorant alimentaire vert est ajouté lors de la dilution.

Les résultats des essais préliminaires montrent que le phénomène d’érosion n’a lieu que pour les expériences 6, 12, 6(2) et 12(2) (fig. 4.3). Les conditions appliquées correspondent à un radier amont rugueux (papier de verre P180 et P40) avec une vitesse débitante de 0,025 m/s et un sédiment modèle dilué à 70% par rapport à la suspension mère.

Chapitre 4 Rugosité en amont du sédiment modèle Concentration du sédiment modèle par rapport à la suspension mère Vitesse débitante (Vd) Température de l’eau Expérience 1 P40 dilué à 50% 0,01 m/s 20°C Expérience 2 dilué à 60% 20°C Expérience 3 dilué à 70% 20°C Expérience 4 dilué à 50% 0,025 m/s 21°C Expérience 5 dilué à 60% 20°C Expérience 6 dilué à 70% 21°C Expérience 7 P180 dilué à 50% 0,01 m/s 20°C Expérience 8 dilué à 60% 20°C Expérience 9 dilué à 70% 20°C Expérience 10 dilué à 50% 0,025 m/s 19°C Expérience 11 dilué à 60% 20°C Expérience 12 dilué à 70% 21°C Expérience 13 Lisse dilué à 50% 0,01 m/s 21°C Expérience 14 dilué à 60% 21°C Expérience 15 dilué à 70% 20°C Expérience 16 dilué à 50% 0,025 m/s 21°C Expérience 17 dilué à 60% 21°C Expérience 18 dilué à 70% 21°C Expérience 6(2) P40 dilué à 70% 0,025 m/s 21°C Expérience 12(2) P180 20°C

Tableau 4. 1 : Expériences préliminaires d'érosion

Chapitre 4

Tout d’abord, toutes les expériences réalisées avec une vitesse débitante de 0,01 m/s et pour les différents cas étudiés (concentrations de sédiment modèle et rugosité amont) n’entraînent pas le sédiment modèle. Visuellement, le sédiment modèle reste fixe et sa surface reste sans mouvement. Cela peut s’expliquer par le fait que le frottement induit à l’interface par cette vitesse faible n’est pas suffisamment grand pour entraîner le sédiment. La contrainte maximale appliquée au lit sédimentaire reste inférieure à la valeur de contrainte critique d’érosion. Ces résultats sont à valider quantitativement par les mesures PIV dans la partie suivante.

Par ailleurs, dans le cas de la vitesse débitante de 0,025 m/s et pour des conditions amont lisses quelles que soient les concentrations en sédiment modèle, nous n’observons pas d’érosion, ni de mouvement en surface du sédiment modèle. La présence d’un amont lisse conduit à une contrainte de frottement qui reste inférieure à la contrainte critique d’érosion. Par contre, pour les deux cas rugueux (CR-P180 et CR-P40) et pour une dilution du sédiment modèle à 70%, l’érosion s’opère. Dans ces conditions, la surface du sédiment qui est stable à l’état initial commence à onduler dès le début de l’expérience sous l’effet de l’écoulement. Migniot [25] a fait une description des phénomènes d’érosion des vases par les courants à leurs différents stades de consolidation. Il a dit que les vases de très faibles concentrations (comme dans notre cas) se comportent comme un véritable fluide visqueux, et il existe à l’interface entre l’eau et la vase une surface de discontinuité où prend naissance un mouvement ondulatoire dû à la différence des vitesses entre les fluides. Ce résultat reste à valider quantitativement par des mesures PIV dans la partie suivante. Cependant dans les mêmes conditions de vitesse et de rugosité mais pour une concentration plus élevée en sédiment nous n’avons pas observé d’érosion.

Donc, à partir de cette étude, nous confirmons que le phénomène d’érosion dépend d’une part de la concentration en sédiment modèle et de ses propriétés rhéologiques associées, et d’autre part des conditions hydrodynamiques induites par l’écoulement et notamment la rugosité amont.

Dans le but de vérifier la répétabilité des essais où le phénomène d’érosion aura lieu, les deux expériences 6 et 12 sont répétées (6(2) et 12(2) respectivement). Les résultats montrent également des mouvements ondulatoires à la surface du lit du sédiment qui soulignent une altération en cours, l’érosion. Les figures 4.4 et 4.5 montrent une comparaison entre les résultats des expériences 6 et 6(2), 12 et 12(2) respectivement à la fin de l’expérience. Ces quatre expériences montrent que l’érosion se fait dans la partie avale de l’emplacement du sédiment. Mais la quantité érodée n’est pas la même entre deux expériences répétées. Malgré tout le soin apporté lors des expériences il reste une part d’incertitudes liées aux expériences notamment sur la mise en place du sédiment, les conditions d’écoulement hydrodynamique pouvant varier.

Chapitre 4

Figure 4. 4 : Résultat de l'expérience 6 et 6(2) à la fin de l’expérience

Figure 4. 5 : Résultat de l'expérience 12 et 12 (2) à la fin de l’expérience