Protocole expérimental

III.2.1.1 Dispositif expérimental

L’objectif de ces expériences est d’étudier les interactions entre les structures cohérentes de la turbulence de paroi et des particules en mouvement. Les expériences ont été réalisées dans un canal rectangulaire à surface libre, de 10 m de long, 25 cm de large et de pente pouvant varier entre -5 et 9°. La Figure III-7 est une photographie du canal. Il est alimenté en eau par une pompe et ne dispose pas de dispositif spécial pour l’alimentation en particules solides. Le débit d’eau maximum dans le canal est de l’ordre de 40l/s.

Pour notre étude, la pente du canal est de 0,5%. Le fond du canal est recouvert de toile Emery (P150), afin d’avoir une rugosité régulière de hauteur moyenne ks = 0,15 mm. Cette rugosité est du même ordre de grandeur que la taille des particules utilisées pour l’étude du transport solide (voir section III.2.1.2).

Les parois du canal étant en plexiglas, des mesures utilisant le système de PIV ont été effectuées afin d’obtenir simultanément les champs de vitesse fluide ainsi que la position et la vitesse des particules solides (sections III.1.2). Les visualisations de l’écoulement sont réalisées dans un plan vertical situé au centre du canal et à 7 m en aval de l’entrée. A cette distance l’écoulement turbulent est totalement développé.

Le déroulement des expériences est le suivant : un écoulement turbulent est établi dans le canal. Une certaine quantité de particules solides est injectée par la surface libre, environ 2 m en amont de la zone de mesures. Les particules commencent par sédimenter, puis sont transportées par l’écoulement turbulent. L’injection se fait suffisamment en amont de la zone de visualisation pour qu’elle n’influence pas le transport des particules (Breugem and Uijttewaal, 2006). Le système PIV permet ensuite d’enregistrer, par le coté, l’écoulement ainsi chargé en particules. La Figure III-8 est un schéma du dispositif expérimental.

Figure III-7: Canal expérimental inclinable à surface libre

Figure III-8 : Dispositif expérimental, canal incliné. (a) vue de coté, (b) vue de face

III.2.1.2 Conditions expérimentales

Les expériences sont réalisées avec des conditions d’écoulement permanent et uniforme. Cinq conditions hydrauliques ont été testées avec une hauteur d’eau, h, comprise entre 1 et 4,1 cm. Ces conditions correspondent à un régime turbulent, avec des nombres de Reynolds (équation (II-1)) situés entre 3000 et 30000. Le rapport W/h est supérieur à 5, ce qui nous permet de nous affranchir des effets des parois latérales et confirme que l’on peut considérer l’écoulement comme un écoulement à 2 dimensions. Les valeurs de la vitesse de cisaillement, u*, estimées à partir de la distribution moyenne

des contraintes de Reynolds avec une précision de ±7%, sont comprises entre 1,95 et 4,1 cm/s. La rugosité sans dimension de l’écoulement, ks

+

, est comprise entre 2,85 et 6,15. Les présentes expériences sont donc réalisées en régimes hydrauliquement lisses ou transitoirement rugueux. Le nombre de Froude (équation (II-2)) est compris entre 1,1 et 1,2, ce qui correspond à un écoulement torrentiel. Le fait que l’écoulement soit torrentiel ne pose pas de problème pour notre étude pour plusieurs raisons. Tout d’abord, le nombre de Froude est supérieur à 1, mais il reste dans l’intervalle des nombres de Froude étudiés par Nezu and Nakagawa, 1993 qui n’ont pas observés de différence sur les structures cohérentes entre les écoulements fluviaux et ce type d’écoulement faiblement torrentiel. De plus, dans un écoulement torrentiel tel que celui-ci, c’est la zone proche de la surface libre qui est déstabilisée en premier (Balachandar et al., 2001). On suppose donc que la zone de proche paroi (y/h < 0,2) n’est pas modifiée. Ceci est confirmé par l’analyse des profils de vitesses (section III.2.2).

Pour chaque condition hydraulique, nous avons fait des tests en eau claire (Clear dans le Tableau III-1) qui seront considérés comme les écoulements de référence. Puis avec les mêmes conditions hydrauliques, des tests en écoulements chargés en particules ont été effectués. Les particules solides utilisées sont de trois types : des billes de verre (ρ = 2500 kg/m³) de diamètre moyen d = 199 µm (Glass dans le Tableau III-2), des petites billes de céramique (ρ = 3800 kg/m³) de diamètre moyen d = 164 µm (CeraP dans le Tableau III-2) et des grosses billes de céramique d = 208 µm (CeraG dans le Tableau III-2). La taille et la vitesse de sédimentation des particules ont été déterminées expérimentalement. Pour ce faire, nous avons filmé la chute des particules dans un aquarium d’eau au repos de taille (50x10x40cm). A partir de ces visualisations, la vitesse de chute des particules ainsi que la taille moyenne des particules sont estimées. Ces résultats sont conformes à l’équation (II-18). Toutes les conditions expérimentales sont résumées dans le Tableau III-1 pour les conditions hydrauliques et dans le Tableau III-2 pour les expériences en écoulements chargés en particules.

Test h (cm) ^Udeb (cm/s) ^{u* (cm/s) Re ks} + Fr W/h Clear02 2 50 2,9 10000 4,35 1,12 12,5 Clear03 2,6 57,7 3,24 15000 4,86 1,15 9,6 Clear04 3,5 68,6 3,8 24000 5,7 1,18 7,14 Clear05 4,1 73 4,1 30000 6,15 1,15 6,1

Tableau III-1 : Conditions expérimentales des écoulements en eau claire

Test Re d (µm) ρ (kg/m³) wS (m/s) Reττττ d⁺ D* Stu_* u*/ws ττττ* /ττττ* crit Glass02 10000 199 2500 0,032 580 5,390 4,66 2,42 0,89 7,66 CeraP02 10000 164 3800 0,041 580 4,53 4,79 3,19 0,71 4,67 CeraG02 10000 208 3800 0,066 580 5,64 6 4,94 0,44 4,21 Glass03 15000 199 2500 0,032 842 6,20 4,75 3,20 1 10,54 CeraP03 15000 164 3800 0,041 842 5,06 4,79 3,98 0,79 6,13 CeraG03 15000 208 3800 0,066 842 6,30 6 6,17 0,49 5,40 Glass04 24000 199 2500 0,032 1330 7,13 4,69 4,24 1,17 14,5 CeraP04 24000 164 3800 0,041 1330 5,94 4,79 5,48 0,93 9,43 CeraG04 24000 208 3800 0,066 1330 7,46 6,04 8,65 0,58 7,43 Glass05 30000 199 2500 0,032 1681 7,77 4,72 5,03 1,26 17,94 CeraP05 30000 164 3800 0,041 1681 6,40 4,79 6,38 1 10,98 CeraG05 30000 208 3800 0,066 1681 8,05 6,04 10.1 0,62 9,19

Dans le Tableau III-2, d⁺ et D* sont des diamètres sans dimension des billes,

* u

St le nombre de Stokes basé sur la vitesse de cisaillement de l’écoulement (équation (II-13) et (II-17)), τ*

la contrainte adimensionnelle au fond de l’écoulement et τ^*crit la contrainte adimensionnelle critique pour la mise en mouvement des billes données par la courbe de Shields (Yalin and Karahan, 1979). Re_τ est le nombre de Reynolds basé sur la vitesse de cisaillement u_* et sur la hauteur d’eau h.

Pour tous les tests, la contrainte au fond de l’écoulement est supérieure à la contrainte critique de mise en mouvement des billes (

τ τ

III.2.1.3 Instrumentation

Les visualisations de l’écoulement sont faites à l’aide d’un système PIV fourni par Dantec Dynamics qui comprend l’illumination, la caméra et les composantes de l’acquisition de données. Le laser est un laser pulsé Nd-YAG (NewWave Solo). Son énergie est de 120mJ et la durée d’émission est de 10ns. Le faisceau laser, dont la longueur d’onde de 532nm (laser vert) a une épaisseur pouvant varier entre 1 et 3mm. Lors des expériences, l’épaisseur du faisceau laser est réglée de façon à être la plus mince possible. La prise d’images s’effectue avec une caméra CCD (HighSense 2M) de résolution spatiale de 1600 x 1186 pixels et de fréquence d’acquisition 15Hz. La résolution spatiale de la caméra correspond à un champ réel de visualisation de 32x22mm. Le logiciel FlowMap (Dantec Dynamics) assure l’acquisition en synchronisant l’illumination par le laser et la prise d’images par la caméra. Les images sont enregistrées à une fréquence de 15Hz qui est suffisamment élevée pour l’étude des structures turbulentes de la zone de proche paroi (Adrian et al., 2000b; Muste et al., 2005;

Sambrook Smith and Nicholas, 2005; Bigillon et al., 2006). 1000 paires d’images sont enregistrées pour chaque test. L’analyse des images donne le premier point de mesure à une hauteur de 16 pixels, ce qui correspond à une hauteur d’environ 10 unités de paroi.

L’ensemencement de l’écoulement est fait avec des particules d’iriodin de masse volumique ρt = 3800kg/m³ et de diamètre 5µm. Ces particules ont un temps de réponse calculé avec l’équation (II-14) de 5.28.10^-6 s qui est très inférieur au temps caractéristique de l’écoulement. Le nombre de Stokes de ces particules est de l’ordre de 10^-3, ce qui permet de s’assurer que ces traceurs suivent parfaitement l’écoulement. La vitesse des traceurs sera donc assimilée à celle de l’écoulement fluide. De plus, ces particules ont déjà montré leur capacité à élucider ce genre d’écoulement (Hogan and Cuzzi, 2001;

Bigillon et al., 2006).