Profil de vitesse th´eorique dans l’´ecoulement de fluide clair

2.1.5 Choix des dimensions du canal 2.2 R´ealisation du montage exp´erimental

2.2.1 Cellule de Hele-Shaw 2.2.2 Circuit hydraulique

2.2.3 Support m´ecanique et syst`eme d’inclinaison 2.3 Mesure de champs de vitesse dans l’avalanche

2.3.1 Acquisition des images

2.3.2 V´elocim´etrie par images de particules

2.4 Mesure de l’´evolution de la surface du lit granulaire 2.4.1 Chaˆıne d’acquisition

2.4.2 Traitement des images 2.4.3 Analyse des signaux

Dans ce chapitre, nous pr´esentons le dispositif exp´erimental et les motivations qui nous ont pouss´es `a concevoir ce montage. Les grandeurs caract´eristiques de l’´ecoulement sont ´evalu´ees et leur influence sur les dimensions des composants du montage est expliqu´ee. Les techniques de traitement d’images mises en œuvre pour mesurer le champ de vitesse des particules dans l’avalanche ainsi que la d´eformation de la surface granulaire sont ensuite d´etaill´ees.

2.1 Choix du canal exp´erimental

2.1.1 Choix du type de canal

La compr´ehension des m´ecanismes fins de transport granulaire et de formation de structures sous l’effet d’un courant continu d’eau et de la gravit´e n´ecessite des condi-tions exp´erimentales bien contrˆol´ees. La mod´elisation exp´erimentale que nous entrepre-nons ici consiste `a r´eduire au maximum les param`etres physiques du syst`eme, afin d’isoler leur influence respective sur des grandeurs caract´eristiques telles que la quantit´e de grains transport´es, la vitesse des grains, la longueur d’onde des structures, etc ... Cet effort de mod´elisation de l’´erosion hydrodynamique et de l’instabilit´e des pentes granulaires cisaill´ees par un fluide est r´ealis´e depuis plus d’un si`ecle (Du Boys, 1878). Parmi les exp´eriences les plus r´ecentes, on rencontre principalement deux types de g´eom´etries : des canaux hy-drauliques ouverts, rectilignes et l´eg`erement inclin´es, (Coleman & Eling (2000), Ancey et al. (2003)), des exp´eriences circulaires sans surface libre de type Couette, (Betat et al. (1999), Charru & Mouilleron (2002)). L’avantage majeur de la configuration circulaire est la conservation de la quantit´e de s´ediments au cours de l’exp´erience. Cependant, dans tous ces montages de largeur de canal de quelques centim`etres, pour assurer pr`es du lit granu-laire une contrainte de cisaillement suffisante `a l’arrachement des grains, il est n´ecessaire de se placer soit dans le cadre d’´ecoulements d’eau turbulents (Coleman & Eling (2000), Ancey et al. (2003),Betat et al. (1999)), soit d’une hauteur d’eau de quelques diam`etres de grains (Pilotti & Menduni, 2001), ou enfin d’utiliser un fluide de viscosit´e tr`es sup´erieure `a celle de l’eau, (Charru & Mouilleron (2002)). En particulier, les fortes fluctuations de vi-tesses associ´ees aux ´ecoulements turbulents ne permettent pas de contrˆoler les contraintes m´ecaniques s’exer¸cant `a l’´echelle d’un grain. De plus les canaux circulaires ne permettent pas d’´etudier l’influence de la pente, et les canaux rectilignes fonctionnent souvent dans une gamme de pentes restreinte.

Notre choix s’est port´e sur un canal rectiligne de dimension transverse faible. Le fort confi-nement dans une telle cellule de Hele-Shaw permet d’atteindre le r´egime d’arrachement des grains tout en maintenant un ´ecoulement d’eau laminaire. L’absence de surface libre empˆeche d’une part l’interaction des ondes de surface avec les structures, et autorise d’autre part l’inclinaison du canal jusqu’`a de fortes pentes. Enfin, les structures qui se forment sont quasi-bidimensionnelles : elles sont stables dans la direction transverse du canal et sont fa-cilement visualisables par le cˆot´e de l’exp´erience.

Ce type de canal rappelle ´egalement les montages utilis´es pour ´etudier les avalanches de particules dans l’air, que ce soit en configuration ouverte avec alimentation continue de particules (Taberlet et al., 2003) ou en configuration ferm´ee maintenue en rotation continue telle le tambour tournant (Rajchenbach, 1990).

2.1.2 Principe de l’exp´erience

Le dispositif exp´erimental, sch´ematis´e figure 2.1, consiste en un canal quasi-bidimensionnel form´e de deux plaques de verre de longueur 1, 30 m et de hauteur H = 20 cm, espac´ees

2.1. CHOIX DU CANAL EXP ´ERIMENTAL 29 β>0 b = 2 mm H = 20 cm L = ^{130 cm} x y z débitmètre réservoir pompe filtre cadre de caoutchouc

Fig. 2.1 – Sch´ema du dispositif exp´erimental.

de b = 2 mm, `a moiti´e rempli d’un milieu granulaire mod`ele. L’eau, inject´ee `a l’aide d’une pompe avec un d´ebit volumique Q, s’´ecoule de gauche `a droite, sur une hauteur hf = 14 cm au-dessus du lit granulaire. On peut incliner le canal autour de son axe transverse jusqu’`a un angle β = ±60◦

par rapport `a l’horizontale. L’´ecoulement, sans surface libre, peut alors descendre ou remonter la pente, ce qui correspond aux valeurs respectivement positives et n´egatives de β. La stabilit´e du lit est ´etudi´ee en fonction des deux param`etres de contrˆole Q et β. Suivant les valeurs de ces param`etres, on peut observer deux modes de transport granulaire, par ´erosion hydrodynamique et par avalanche gravitaire, ainsi que la forma-tion de structures. Les mesures sont principalement r´ealis´ees par vid´eo associ´ee `a diverses m´ethodes de traitement d’images, d´ecrites `a la fin de ce chapitre.

2.1.3 Profil de vitesse th´eorique dans l’´ecoulement de fluide clair

Afin de dimensionner correctement le canal et la pompe, il est n´ecessaire d’´evaluer le profil de vitesse dans l’´ecoulement de fluide clair et la contrainte de cisaillement pr`es du lit granulaire. On consid`ere dans un premier temps le lit comme un sol plan et rigide. La prise en compte de la nature granulaire du lit est un probl`eme complexe, mais on suppose qu’elle modifie peu les r´esultats pr´esent´es ci-dessous.

L’´ecoulement d’un fluide newtonien entre deux plans parall`eles infinis s´epar´es par une dis-tance b, en l’absence de gravit´e, pr´esente une vitesse moyenn´ee dans l’´epaisseur U constante et une forme du profil de vitesse de Poiseuille parabolique dans la direction transverse. La relation liant la vitesse d´ebitante U au gradient de pression ∆P /L appliqu´e dans la

direc-tion longitudinale est (Guyon et al., 2001) : U = − ^b

2

12ηf

∆P /L (2.1)

Si l’´ecoulement est born´e en hauteur, comme c’est le cas dans la cellule de Hele-Shaw, cette relation est l´eg`erement modifi´ee (Gondret et al., 1997). En particulier, pour des hauteurs d’eau hf sup´erieures `a 10 fois l’espacement inter plaques b, le profil de vitesse longitudinale repr´esent´e sur la figure 2.2 reste parabolique dans la direction transverse tandis qu’il ´evolue verticalement. En effet, on voit sur la figure 2.2 (a) que dans le plan m´edian, le profil est plat loin du sol granulaire. Il pr´esente un raccord exponentiel pr`es de ce sol (et de la limite sup´erieure), sur une longueur de l’ordre de b. Ainsi, bien qu’un tel

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 1 2 3 4 5 z / b U(z) / U a) 0 0.5 1 1.5 - 0.5 0 0.5 y / b u (y, z 0) / U b)

Fig. 2.2 – Allure du profil de vitesse longitudinale dans le fluide clair, ´evalu´e d’apr`es (Gondret et al., 1997). La surface du lit granulaire est situ´ee en z = 0. a) Profil moyenn´e dans l’´epaisseur, pour h<sub>f</sub>/b = 50. b) Profil dans la direction transverse, `a une altitude z0/b > 1. u(0, z0) = 3

2U.

canal soit extrˆemement dissipatif, l’´ecoulement moyen irrotationnel loin des bords mod´elise l’´ecoulement d’un fluide parfait, (Hele-Shaw, 1898) sauf derri`ere les structures ou il peut y avoir pr´esence de vorticit´e. L’´ecoulement du fluide clair est caract´eris´e par le nombre de Reynolds construit sur l’´epaisseur b de la cellule Reb = <sup>U b</sup><sub>ν</sub> . Pour des valeurs de Reb > 900, l’´ecoulement ne peut plus ˆetre consid´er´e comme laminaire (Waleffe, 2001). Nous veillerons donc `a ne pas d´epasser cette valeur au cours de nos exp´eriences.

Que ce soit dans le cadre du transport granulaire ou de la dynamique de structures, nous nous int´eressons `a des m´ecanismes `a l’´echelle du grain, dans la couche limite visqueuse. Une des grandeurs qu’il nous importe d’´evaluer est le nombre de Shields θ qui compare les forces de cisaillement aux forces de gravit´e s’exer¸cant sur un grain :

θ = ^τf

∆ρgd ^(2.2)

2.1. CHOIX DU CANAL EXP ´ERIMENTAL 31 Dans ces expressions, ∆ρ est la diff´erence de masse volumique entre les grains et le fluide, d le diam`etre des particules et τf, la contrainte de cisaillement impos´e par le fluide `a la surface du lit. La contrainte τ_f est proportionnelle `a la viscosit´e dynamique du fluide η_f et au taux de cisaillement ˙γ, qu’on ´evalue sous la forme (voir annexe 6, p.147) :

˙γ ≈ 3, 26^U

b ^(2.4)