Comportement des galets dans le canal

Plusieurs séries d’expériences ont été réalisées :

- à des débits de 600, 850, 1550 et 1650 l/h par pompe, ce qui correspond à des vitesses d’injection respectives de 0,9 / 1,2 / 2,2 / 2,3 m/s,

- avec quatre pompes,

- en configuration « normale » et en configuration « surélevée »,

- avec des galets appartenant aux fractions 0,5-1cm / 1-1,5cm / 1,5-2cm / 2-3cm, - avec des quantité de galets différentes : 1, 10, 20 ou 50 galets.

Sur le fond lisse du canal, les galets ont tendance à se déplacer en glissant sur le fond. Pour empêcher ce mode de déplacement peu représentatif, une rugosité artificielle a été constituée. Elle a été réalisée en collant à la colle néoprène des fragments rocheux de 1 à 2,5 mm sur un disque en PVC que l’on place au fond du canal.

Pour la mesure des vitesses des galets, un galet peint en rouge a été mêlé aux sédiments. Le temps nécessaire pour qu’il parcoure dix tours a permis de déterminer sa vitesse moyenne pendant l’expérience. La vitesse moyenne des fluides a également été estimée pour chacune des expérience à partir des dimensions du vortex.

Les observations d’ordre qualitatif sont les suivantes :

- avant la mise en mouvement d’un galet, on note que celui-ci vibre dans le courant.

- lorsque les galets se déplacent, ils roulent sur le fond et sautent lorsque les vitesses sont suffisantes. Le déplacement par translation, dominant lorsque le fond du canal est lisse, n’est plus effectif lorsque le fond est rugueux.

- les galets ont tendance à occuper toute la largeur du canal. Le rayon de courbure de leur trajectoire résulte de la compétition entre la force centrifuge, les courants secondaires à composante centripète et les interactions répulsives avec les parois. A forte vitesse, les galets ont néanmoins tendance à emprunter des trajectoires externes tandis qu’ils sont plutôt rabattus vers le bord interne à faible vitesse ; dans ce dernier cas, les galets peuvent se bloquer contre le bord interne du canal, malgré le fait que les vitesses des fluides y sont apparemment les plus fortes (ce phénomène a été mis en évidence par l’étude des écoulements fluides au paragraphe précédent). Ceci peut s’expliquer par une augmentation des frottements statiques au contact de la paroi contre lesquels les forces d’entraînement doivent « lutter » pour permettre aux galets de se mouvoir. La taille des galets a également

son importance en terme de trajectoire puisque pour une même vitesse, le rayon de courbure augmente avec la taille des galets.

- lorsque la quantité de sédiment est importante, les galets se gênent mutuellement, se déplacent par paquets et peuvent se bloquer temporairement.

- lorsque les galets sont anguleux, ils ont tendance à se bloquer plus facilement.

- le décapage progressif mais rapide des galets « test » intégralement peints en rouge au début des expériences laisse suggérer que l’abrasion est effective.

- les galets ne sortent pas du canal, ce qui est plutôt une bonne nouvelle.

- une géométrie avec injection des fluides au fond du canal est inexploitable car les interactions entre les galets et les jets d’eau sont trop importantes : les galets sont brutalement accélérés et rabattus vers le bord interne au passage des injections et ils descendent dans ces dernières lorsque l’on arrête le dispositif.

L’analyse quantitative des résultats (fig. 18) amène les constations suivantes :

- pour une hauteur d’injection donnée, la vitesse moyenne des fluides Ufl et la vitesse des galets Ug augmentent lorsque l’on augmente le débit.

- pour un débit et une hauteur d’injection donnés, U_fl et U_g diminuent lorsque la quantité et/ou la taille des galets augmente. Ce phénomène traduit une augmentation de la rugosité et donc des pertes de charges dans le canal. La tendance observée est donc tout à fait logique.

- pour un débit donné, on observe lorsque l’on abaisse les injection :

à une diminution de U_fl,

à une réduction du différentiel de vitesse U_fl – U_g,

à une évolution irrégulière de la vitesse U_g, on constate globalement que

U_g (h_inj = 11,2 cm) > U_g (h_inj = 4,6 cm) ³ U_g (h_inj = 7,6 cm) à faible débit et plutôt U_g (h_inj = 4,6 cm) > U_g (h_inj = 7,6 cm) ³ U_g (h_inj = 11,2 cm) à fort débit

avec hinj = hauteur d’injection par rapport au fond du canal.

Ces variations sont probablement liée à des changements de la structure de l’écoulement d’une position d’injection à l’autre, les interactions entre les injections, les galets et le fond du canal étant affectées par la modification de la géométrie.

- pour une hauteur d’injection de 11,2 cm, la représentation des vitesses des galets Ug en fonction des vitesses des fluides Ufl montre une relation affine entre les deux vitesses, indépendante de la taille des galets et de leur quantité (fig. 19). L’équation est de la forme Ug = 0,73 Ufl – 0,08.

Figure 19 : vitesse des galets en fonction de la vitesse moyenne des fluides pour une hauteur d’injection de 11,2 cm.

Notons que le périmètre utilisé pour déterminer les vitesses des galets est le périmètre médian (0,78 m). Cette approximation est susceptible d’entraîner une surestimation des vitesses à faible vitesse et/ou avec de petits galets (trajectoires plutôt internes) et une sous-estimation à forte vitesse et/ou avec de gros galets (trajectoires plutôt externes). Ces erreurs peuvent atteindre 23% si l’on considère des trajectoires totalement externes ou totalement internes. Néanmoins, pendant les expériences réalisées, les galets avaient généralement tendance à occuper le canal sur une bonne partie de sa largeur, la trajectoire médiane étant constamment empruntée. De plus, les trajectoires gardaient rarement le même rayon de courbure pour un galet donné : sur la largeur du canal utilisée, un même galet passait tantôt à l’extérieur, tantôt au milieu, tantôt à l’intérieur. On peut donc considérer en première approximation que cette simplification est satisfaisante.