Étude couplée rhéométrie-hydrodynamique et application à l'érodabilité locale d'un sédiment cohésif modèle

THÈSE

Pour l'obtention du grade de

DOCTEUR DE L'UNIVERSITÉ DE POITIERS UFR des sciences fondamentales et appliquées

Pôle poitevin de recherche pour l'ingénieur en mécanique, matériaux et énergétique - PPRIMME (Poitiers)

(Diplôme National - Arrêté du 25 mai 2016)

École doctorale : Sciences et ingénierie en matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique -SIMMEA (Poitiers)

Secteur de recherche : Mécanique des fluides

Présentée par :

Zaynab Tarhini

Étude couplée rhéométrie-hydrodynamique et application à l'érodabilité locale d'un sédiment cohésif modèle

Directeur(s) de Thèse : Alain Texier, Sébastien Jarny

Soutenue le 29 novembre 2016 devant le jury Jury :

Président Anne Pantet Professeur des Universités, Université du Havre

Rapporteur Yannick Melinge Professeur des Universités, Université de Cergy-Pontoise

Rapporteur Damien Pham Van Bang Ingénieur, CEREMA, Chatou

Membre Alain Texier Professeur des Universités, Université de Poitiers

Membre Sébastien Jarny Maître de conférences, Université de Poitiers

Membre Lionel Thomas Maître de conférences, Université de Poitiers

Pour citer cette thèse :

Zaynab Tarhini. Étude couplée rhéométrie-hydrodynamique et application à l'érodabilité locale d'un sédiment

cohésif modèle [En ligne]. Thèse Mécanique des fluides. Poitiers : Université de Poitiers, 2016. Disponible sur

THESE

pour l’obtention du Grade de

DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE POITIERS (Faculté des Sciences Fondamentales et Appliquées)

(Diplôme National - Arrêté du 7 août 2006)

Ecole Doctorale : SIMMEA (Sciences et Ingénierie en Matériaux, Mécanique, Energétique et Aéronautique)

Secteur de Recherche : Mécanique des Fluides

Présentée par :

Zaynab TARHINI

************************

ETUDE COUPLÉE RHÉOMÉTRIE-HYDRODYNAMIQUE ET APPLICATION À L’ÉRODABILITÉ LOCALE D’UN SÉDIMENT COHÉSIF MODÈLE

************************ Directeurs de Thèse : Alain TEXIER Sébastien JARNY ************************ Soutenue le 29 Novembre 2016

devant la Commission d’Examen ************************

JURY

Y. MELINGE, Professeur, Université de Cergy Pontoise (Rapporteur) D. PHAM-VAN-BANG, HDR, Laboratoire d’Hydraulique Saint Venant (Rapporteur) A. PANTET, Professeur, Université du Havre (Examinateur) L. THOMAS, Maitre de conférences, Université de Poitiers (Examinateur) A. TEXIER, Professeur, Université de Poitiers (Examinateur) S. JARNY, Maitre de conférences, Université de Poitiers (Examinateur)

R

emerciement



Je tiens à remercier tout d'abord le directeur du laboratoire Institut Pprime M. Yves GERVAIS de m’avoir accueilli durant ces trois années. Je remercie également l’ensemble de personnel de mon axe HydÉE du département D2 et surtout le professeur Laurent DAVID pour m’avoir intégré dans l’équipe. Je remercie la région Poitou-Charente d’avoir financé la thèse.

Mes remerciements sincères vont également à Dr. Sébastien JARNY et Pr. Alain TEXIER d'avoir dirigé ce travail et aussi pour les conseils éclairés et les encouragements qu’ils m’ont sans cesse prodigué tout au long de ce travail. Ils représentent pour moi le guide et l'exemple du sérieux dans le travail et du savoir dans ce domaine. Merci pour leurs patiences, leurs disponibilités, et les connaissances scientifiques qu'ils m'ont apportées ainsi que pour les nombreux points de vue échanges.

Je voudrai remercier M. Romain BOULANGER et M. Patrick BRAUD pour leurs aides sur les manips (lasers et caméras). J’aimerai remercier M. Francis BOISSONNEAU et M. Pierre-François LAPLACETA, qui sont toujours prêts à répondre à l'appel informatique sans attente. Je n’oublierai pas de remercier les personnes de l'atelier (Ludovic, Richard) pour leurs aides pour la fabrication des plaques. Je pense aussi à Christian pour son bon humeur. Un merci est adressé à Catherine notre secrétaire.

Je remercie vivement mes collègues thésards et surtout mes collègues de bureau Florence et Gwenaël, c’était un plaisir de partager le bureau avec vous. Je remercie encore Emmanuel, Aurélien, Pierre, Clément, Thomas, Riadh, Paul et Souria.

Je réserve des remerciements particuliers à mes amis Libanais à Poitiers (Mira, Rana, Jowana, Hussein, Tarek, Nahla, Nada, Josette…) et spécialement à Sami mon collègue au futuroscope. Nous avons vécus des moments inoubliables. Je n’oublie pas de remercier mon amie fidèle Zeinab FAWAZ.

Je tiens à exprimer toute ma gratitude et mes remerciements aux membres du jury qui ont bien voulu m'honorer de leur présence. Je remercie M. Yannick MELINGE et M. Damien PHAM-VAN-BANG de m’avoir l’honneur de rapporter ce travail de thèse.

Enfin mes plus grands remerciements sont adressés à mes parents et surtout à ma mère pour sa patience lors des nombreuses semaines stressantes pour moi. Je remercie mon oncle Dr. Ali TARHINI et sa famille, mes cousins Imad, Mehsen, Ahmad, Joumana et Zahra qui étaient toujours à côté de moi en France et m’ont donné des conseils précieux durant mon séjour.

T

able des matières

Liste des symboles………...…..1

Liste des figures………..…..3

Liste des tableaux……….…7

Introduction………...9

Chapitre 1 : Bibliographie

………11

1. Rhéologie ... 13

1.1. Fluides visqueux indépendant du temps ... 13

1.1.1. Fluides Newtoniens ... 13

1.1.2. Fluides Non-Newtonien ... 13

1.2. Fluides visqueux dépendant du temps ... 16

1.2.1. Thixotropie ... 17

1.3. Géométries de mesure des rhéomètres ... 17

1.4. Effets perturbateurs de mesure en rhéomètre : le glissement ... 19

2. Sédiments cohésifs ... 20

2.1. Définition et impact sur l’écosystème ... 20

2.2. Rhéologie de sédiments ... 21

2.2.1. Mesure de la contrainte seuil des sédiments ... 22

2.2.2. Modèles rhéologiques appliqués sur des sédiments cohésifs ... 23

2.2.3. Relation entre la contrainte seuil des sédiments cohésifs et sa concentration ... 24

3. Erosion ... 25

3.1. Définition ... 25

3.2. Facteurs influençant sur l’érosion ... 25

3.3. Pourquoi la contrainte seuil est différente de la contrainte responsable de l’érosion ? ………26

3.4. Dynamique de l’écoulement et contrainte de cisaillement près du fond (BSS) ... 26

3.4.1. Profil logarithmique (τLP ) ... 28

3.4.2. Contrainte de cisaillement turbulente (τt) (Reynolds stress) ... 29

3.4.3. Méthode de l’énergie cinétique turbulente (Turbulent Kinetic Energy TKE) (τTKE) ……… 29

Chapitre 2 : Sédiment modèle et étude rhéologique

………..35

1. Matériaux ... 37

1.1 Choix des matériaux ... 37

1.2 La Laponite : structure et propriétés ... 38

1.3 Le carboxymethylcellulose (CMC) : structure et propriétés ... 42

2. Méthodes de fabrication de sédiments modèles ... 44

3. Choix de sédiments modèles : répétables et stables dans le temps ... 45

3.1 Fabrication des mélanges composés de Laponite et de CMC ... 45

3.2 Rhéomètres d’étude : Gémini (Malvern) et DHR-2 (TA Instruments) ... 47

3.3 Etude du vieillissement et de la répétabilité des suspensions ... 47

4. Etude rhéologique globale du sédiment modèle mère de l'étude ... 52

4.1 Introduction... 53

4.1.1 Matériaux ... 53

4.1.2 Correction de Weissenberg- Rabinowitch ... 53

4.1.3 Vérification de la répétabilité et du vieillissement ... 54

4.2 Thixotropie du sédiment modèle mère ... 55

4.3 Choix de la durée de palier ... 56

4.4 Paramètres de pré-cisaillement ... 61

4.4.1 Intensité et temps de précisaillement ... 62

4.4.2 Temps du repos ... 64

4.4.3 Choix des paramètres du précisaillement ... 65

4.5 Etude de glissement : choix de rugosité et de l’entrefer ... 66

5. Le sédiment modèle en fonction de sa concentration ... 69

6. Effet d’ajout d’additifs sur le comportement rhéologique du sédiment modèle mère ... 71

7. Conclusion... 76

Chapitre 3 : Qualification de la veine hydrodynamique par mesure PIV en

absence de sédiment modèle

………77

1. Ecoulement entre deux plaques planes... 79

1.1. Régime de l’écoulement ... 79

1.2. Notion de Couche limite ... 79

1.3. Profils de vitesse dans une canalisation ... 80

1.4. Profils de vitesse dans la couche limite [82] ... 81

2.1. Description ... 82

2.2. Etalonnage, sections et référentiel d’essais... 84

3. Technique de mesure : Particle Image Velocimetry (PIV) ... 87

3.1. Techniques de vélocimétrie par suivi des particules PSV, PTV, PIV ... 87

3.2. Principe de la PIV ... 87

3.3. Le matériel utilisé ... 89

3.3.1. Particules d’ensemencement ... 89

3.3.2. Système d’éclairage (Laser) ... 90

3.3.3. Caméra et système de traitement d’images ... 91

3.3.4. Méthodes de traitement d’image de PIV ... 92

3.4. Paramètres de mesure PIV ... 92

4. Qualification de la veine ... 95

4.1. Visualisation de l’écoulement par tomographie laser ... 95

4.2. Qualification de la section normale 16 cm 16cm ... 96

4.3. Qualification de la section réduite d’étude 16 cm 15cm ... 97

4.3.1. Première qualification ... 97

4.3.2. Uniformité de l’écoulement dans la largeur de la veine ... 99

5. Etude du plan « médian zoom » : conditions lisse et rugueuses ... 102

5.1. Analyse de la couche limite ... 105

5.1.1. Longueur d’établissement ( ... 105

5.1.2. Epaisseur de la couche limite ... 107

5.1.3. Vérification du profil de vitesse dans la couche limite ... 109

5.2. Vérification de la convergence des images ... 110

5.2.1. Convergence de Umoy ... 110

5.2.2. Convergence des fluctuations u’ et v’ ... 112

5.3. Vérification de la conservation du débit ... 114

5.4. Champs de vitesse ... 115

5.5. Champs des contraintes ... 117

5.6. Champs d’énergie cinétique turbulente ... 121

Chapitre 4 : Etude d'érosion d'un sédiment modèle par mesure PIV

…...127

1. Choix du produit modèle et du protocole de la mise en place dans la veine ... 129

1.1. Protocole de la mise en place du sédiment modèle dans la veine ... 129

1.2. Choix du sédiment modèle et de la condition d’étude ... 131

2. Essais d’érosion par mesure PIV ... 134

2.1. Paramètres de mesure PIV ... 135

2.2. Résultats des expériences d’érosion ... 138

2.2.1. Champs de vitesse ... 139

2.2.2. Champs de contraintes ... 142

2.2.3. Résultats rhéologiques des sédiments modèles des essais d’érosion ... 144

2.2.4. Comparaison entre les contraintes hydrodynamique et rhéologique ... 147

2.2.5. Champs d’énergie cinétique turbulente ... 151

2.2.6. Champs de fluctuations moyennes ... 153

2.2.7. Gradient de vitesse ... 155 3. Conclusion... 157 Conclusions………...……….…159 Perspectives………...……….161 Annexe………163 Bibliographie……….…167

L

iste des symboles



Diamètre hydraulique [m]

k Consistance [Pa.sn]

Energie cinétique turbulente [m2/s2]

L Largeur de la veine [m] Longueur d’entrée [m] Envergure de la veine [cm] n Indice de viscosité [-] Q Débit [cm3/s] Nombre de Reynolds [--]

Nombre de Reynolds qui dépend de l’abscisse x [--]

T Température [°C]

U (u, v, w) Vitesse de l’écoulement [m/s]

, , Composante moyenne de la vitesse u, v, w

respectivement

[m/s]

, , Fluctuation de la vitesse u, v, w respectivement [m/s]

Umoy Vitesse moyenne de n images dans le sens de

l’écoulement [m/s]

Vmoy Vitesse moyenne de n images dans l’envergure de la

veine

[m/s]

Vitesse débitante par les pompes [m/s]

Vcorrigé Vitesse corrigé à l’extérieur de la couche limite [m/s]

τ Contrainte de cisaillement [Pa]

Contrainte seuil [Pa]

Contrainte laminaire [Pa]

Contrainte turbulente [Pa]

τLP Contrainte de cisaillement obtenue par le profil

logarithmique

[Pa]

τTKE Contrainte de cisaillement obtenue en utilisant

l’énergie cinétique turbulente [Pa]

Vitesse de cisaillement [s-1]

Viscosité cinématique [m2/s]

μ Viscosité dynamique [Pa.s]

ρ Masse volumique [g/cm3]

Epaisseur de la couche limite [cm]

Epaisseur théorique de la couche limite dans le cas CL ou CR-P180 ou CR-P40

[cm]

Epaisseur expérimentale de la couche limite dans le cas CL ou CR-P180 ou CR-P40

t Temps entre deux pulses de PIV [ms]

%P(p) Pourcentage de la puissance de la pompe [--]



ADV Acoustic Doppler Velocimeter

BSS Bottom Shear Stress

CMC Carboxyméthlcellulose

CL Condition lisse (radier lisse avant le lieu de sédiment)

CR-P180 Condition rugueux (radier rugueux avec un papier de verre P180 avant le lieu de sédiment

CR-P40 Condition rugueux (radier rugueux avec un papier de verre P40 avant le lieu de sédiment

CCD Caméra Charge Coupled Device

DF Double frame

EPS Substances Extracellulaire Polymérique

J+x Après x jours de la fabrication de la suspension

IA Interrogation Area

MES Matière En Suspension

Nd :YAG Laser Néodyme-YAG pulsé

P1, P2, P3 Pompe 1, pompe 2, pompe 3 respectivement

PSV Particle Streak Velocimetry

PTV Particle Tracking Velocimetry

PIV Particle Image Velocimetry

S1, S1’ Deux suspensions de 0,5% CMC+1% Laponite fabriqués selon deux protocoles différents

S1*, S1’* Deux suspensions répétable de S1 et S1’ respectivement

S2, S2’ Deux suspensions 0,5% CMC+1,5% Laponite fabriqués selon deux protocoles différents

S3, S3’ Deux suspensions 1% CMC+1% Laponite fabriqués selon deux protocoles différents

SF Single frame

SNR Signal to Noise Ratio

TKE Turbulent Kinetic Energy



O origine au plan médian de la veine situé à 46,5 cm des pailles (début de lieu de sédiment)

Ox Suit la direction de l’écoulement

Oy Suit la direction de l’envergure de la veine Oz Suit la direction transversale de la veine

L

iste des figures

Figure 1. 1 : Loi de puissance pour les fluides rhéofluidifiants ... 14

Figure 1. 2 : Loi de puissance pour les fluides rhéoépaississants... 14

Figure 1. 3 : Fluide à seuil cas n<1 [11] ... 16

Figure 1. 4 : Aspect du cisaillement à la périphérie d'un échantillon au sein d'une géométrie plan-plan [16] ... 19

Figure 1. 5 : Sédimentation vaseux au niveau de la baie du Mont Saint Michel ... 21

Figure 1. 6 : Cycle de déposition et resuspension de sédiment cohésif [32] ... 25

Figure 1. 7 : Structure turbulente de l'écoulement et processus sédimentaire en milieu estuarien (échelle dilatée pour clarifier le schéma) [36]... 27

Figure 1. 8 : Acoustic Doppler Velocimeter (ADV). Source: Sontek.com ... 28

Figure 1. 9 : Erodimètre de l'Ifremer... 30

Figure 1. 10 : variation de la contrainte de cisaillement avec la profondeur en moyen de deux approches [48] ... 31

Figure 1. 11 : In Situ Erosion Flume (ISEF) utilisé pour faire des expériences d'érosion [50] ... 32

Figure 2. 1 : Structure de la Laponite [52] ... 39

Figure 2. 2 : Etapes d'hydratation de la Laponite dans l'eau [52] ... 39

Figure 2. 3 : Diagramme de phase des suspensions de Laponite [56] ... 41

Figure 2. 4 : Structure du carboxyméthylcellulose [59] ... 42

Figure 2. 5 : Les états d’une solution de polymère en fonction de la masse molaire [61] ... 43

Figure 2. 6 : Variation de la viscosité apparente en fonction du temps d’agitation pour une concentration de CMC de 3 % à 50 tr/min [58] ... 45

Figure 2. 7 : Les deux suspensions Laponite et CMC en phase de fabrication ... 47

Figure 2. 8 : Rhéomètre Gémini (à gauche) et rhéomètre DHR-2 (à droite) ... 47

Figure 2. 9 : Protocole pour l’obtention d’une courbe d’écoulement ... 48

Figure 2. 10 : Rhéogrammes des mélanges au 3ème et 27ème jour après la fabrication ... 48

Figure 2. 11 : Courbes d'écoulement pour le sédiment naturel et irradié en fonction du mode d'imposition des sollicitations mécaniques (contraintes imposées ou vitesse imposée) [19] ... 49

Figure 2. 12 : Variation au cours du temps des paramètres d'Herschel-Bulkley pour les 6 suspensions préparées. a) contrainte seuil b) consistance c) indice d'écoulement ... 50

Figure 2. 13 : Vérification de la répétabilité d'une suspension par suivi des paramètres d'Herschel-Bulkley au cours du temps. a) contrainte seuil b) consistance c) indice d'écoulement ... 52

Figure 2. 14 : Rhéogrammes de deux préparations identiques ... 54

Figure 2. 15 : Ecart relatif entre les courbes de descente de deux préparations ... 55

Figure 2. 16 : Vérification du vieillissement d’une des deux suspensions entre 20 ème et 37 ème jour .. 55

Figure 2. 17 : Protocole de la thixotropie : imposition d'une vitesse constante ... 56

Figure 2. 18 : Variation de la viscosité apparente en fonction du temps pour différentes vitesses de cisaillement constantes ... 56 Figure 2. 19 : Protocoles pour déterminer la durée de palier dans la courbe d'écoulement. a)

Figure 2. 20 : Visualisation de la variation de la viscosité apparente en fonction du temps pour

chaque palier en montée et en descente de la courbe d'écoulement (protocole a) ... 58

Figure 2. 21 : a) Visualisation de la variation de la viscosité apparente en fonction du temps pour les deux protocoles a et b b) écart relatif dans les deux cas dans les 10 dernières secondes ... 59

Figure 2. 22 : Rhéogrammes de deux cas descente après montée et descente après repos ... 60

Figure 2. 23 : Comparaison entre les rhéogrammes de deux protocoles par paliers de 300 s et de 30 s ... 61

Figure 2. 24 : Protocole de courbe d'écoulement entre 0,001 s-1 et 1000 s-1 utilisé dans les tests de précisaillement et par la suite ... 62

Figure 2. 25 : Comparaison entre les rhégrammes à différentes intensité de précisaillement ... 63

Figure 2. 26 : Ecart relatif dans le cas des différentes intensités de précisaillement ... 63

Figure 2. 27 : Comparaison entre les rhéogrammes à différents temps de précisaillement ... 64

Figure 2. 28 : L'écart type entre les courbes de descente en fonction de la vitesse de cisaillement pour différente vitesse de cisaillement ... 64

Figure 2. 29 : Comparaison entre les rhéogrammes à différents temps de repos ... 65

Figure 2. 30 : L'écart relatif entre les courbes de descente en fonction de la vitesse de cisaillement. 65 Figure 2. 31 : Courbes d'écoulements obtenues en utilisant des papiers de verre a) P1000 b) P240 sur les deux plans de la géométrie ... 67

Figure 2. 32 : Pourcentage d'écart des contraintes de l'entrefer 450 µm et 600 µm par rapport aux contraintes de l'entrefer 300 µm dans la partie descente de la courbe d'écoulement ... 68

Figure 2. 33 : Vérification de la répétabilité des essais rhéométriques pour les entrefers 300 µm, 450 µm et 600 µm dans la courbe de descente ... 69

Figure 2. 34 : Le sédiment modèle à différentes concentrations de 20% à 100% a) modélisation de la partie descente de la courbe d 'écoulement par Herschel-Bulkley au J+31b) la contrainte seuil en fonction de la concentration c) la consistance et l'indice d'écoulement en fonction de la concentration ... 70

Figure 2. 35 : Les courbes d'écoulement pour les suspensions avec additifs ... 73

Figure 2. 36 : Ecart relatif entre les suspensions avec additif et la suspension sans additif ... 73

Figure 2. 37 : Variation des paramètres d'Herschel-Bulkley pour les suspensions avec additifs en fonction du temps ... 74

Figure 2. 38 : L'écart relatif entre les contraintes seuil, les consistances et les indices d’écoulement des suspensions avec additif et sans additif ... 75

Figure 3. 1 : Etablissement du régime laminaire entre deux plans parallèles [68] ... 80

Figure 3. 2 : Etablissement du régime turbulent entre deux plans parallèles [68] ... 80

Figure 3. 3 : Forme de la variation de la composante de vitesse parallèle à la plaque en fonction de la coordonnée sans dimension θ ... 82

Figure 3. 4 : Dispositif expérimental : veine hydrodynamique ... 84

Figure 3. 5 : Etalonnage des pompes pour la section d'étude 15cm × 16m ... 85

Figure 3. 6 : Veine et section d'étude ... 86

Figure 3. 7 : Référentiel dans la veine d’essai ... 86

Figure 3. 8 : Schéma résumé de PIV (source: Dantecdynamics.com) ... 88

Figure 3. 9 : Particules d’ensemencemet utilisées dans un écoulement liquide (expérience dans l'eau) [74] ... 90

Figure 3. 11 : Etapes de traitement des images PIV ... 94

Figure 3. 12 : Dispositif expérimental ... 95

Figure 3. 13 : Image "PSV" avec une ouverture f8, un temps de pose 1/4s et une vitesse de 4 cm/s ... 96

Figure 3. 14 : Profils de vitesse Umoy et Vmoy obtenus par mesure de PIV pour la section pleine ... 97

Figure 3. 15 : Profils de vitesse moyens pour la section d'étude ... 98

Figure 3. 16 : Les plans de mesure : vue d'au-dessus de la veine ... 99

Figure 3. 17 : La mire de calibration pour l'étude de série de plans ... 99

Figure 3. 18 : Mire placée dans le plan médian ... 100

Figure 3. 19 : Profil de vitesse moyenne pour les 5 plans de mesure dans les différents cas de vitesse débitante ... 101

Figure 3. 20 : La veine dans le cas de condition rugueuse CR-P180 ... 102

Figure 3. 21 : Photo de mesure PIV pour la calibration du plan médian zoom ... 103

Figure 3. 22 : Profils de vitesse moyenne dans le "plan médian zoom" ... 104

Figure 3. 23 : Schéma d’évolution des couches limites dans la veine d'essai ... 105

Figure 3. 24 : La longueur d'entrée en fonction du ratio d'aspect des canaux rectangulaires [78] .. 106

Figure 3. 25 : Variation de l'épaisseur de la couche limite en fonction de la vitesse débitante ... 108

Figure 3. 26 : Transition de la couche limite laminaire ... 109

Figure 3. 27 : profils de vitesse dans la couche limite ... 110

Figure 3. 28 : Variation de la vitesse moyenne en fonction du nombre d’images en différentes hauteurs de veine ... 111

Figure 3. 29 : Variation des fluctuations horizontales en fonction du nombre d’images en différentes hauteurs de veine ... 113

Figure 3. 30 : Variation des fluctuations verticales en fonction du nombre d’images en différentes hauteurs de veine ... 113

Figure 3. 31 : Variation du débit expérimental en fonction de la vitesse débitante ... 114

Figure 3. 32 : Erreur de mesure par le débimètre (promag10) ... 115

Figure 3. 33 : Champ de vitesse Umoy pour différentes vitesses débitantes ... 117

Figure 3. 34 : Contrainte laminaire dans le cas de vitesse débitante 0,005 m/s et 0,01 m/s ... 119

Figure 3. 35 : Contrainte laminaire et turbulente dans le cas de vitesse débitante 0,015 m/s ... 119

Figure 3. 36 : Contrainte laminaire et turbulente dans le cas de vitesse débitante 0,02 m/s ... 120

Figure 3. 37 : Contrainte laminaire et turbulente dans le cas de vitesse débitante 0,025 m/s ... 120

Figure 3. 38 : Contrainte laminaire et turbulente dans le cas de vitesse débitante 0,03 m/s ... 121

Figure 3. 39 : Energie cinétique turbulente pour les différentes vitesses et conditions de rugosité .. 123

Figure 3. 40 : Incertitude sur l'énergie cinétique turbulente... 124

Figure 4. 1: Le film en nylon est posé sur le sédiment modèle dans le cas de CR-P40 ... 130

Figure 4. 2 : Remplissage d'eau dans la veine... 130

Figure 4. 3 : Résultats des expériences d'érosion préliminaires ... 132

Figure 4. 4 : Résultat de l'expérience 6 et 6(2) à la fin de l’expérience ... 134

Figure 4. 5 : Résultat de l'expérience 12 et 12 (2) à la fin de l’expérience ... 134

Figure 4. 6 : Le laser positionné dans le cas des expériences avec sédiment ... 136

Figure 4. 7 : Systèmes de caméras ... 137

Figure 4. 8 : Lame semi-réfléchissante entre les deux caméras ... 137

Figure 4. 9 : Vue globale d’une expérience d’érosion par mesure PIV ... 137

Figure 4. 11 : Champs de vitesses pour les expériences d'érosion... 140

Figure 4. 12 : Champs de contraintes laminaires et turbulentes des expériences 1, 1(2), 1(3) ... 142

Figure 4. 13 : Champs de contraintes laminaire et turbulente des expériences2, 2(2), 2(3) ... 143

Figure 4. 14 : Champs de contraintes laminaires des expériences 4, 5 et 6 ... 143

Figure 4. 15 : Rhéogrammes des sédiments modèles utilisés pour les essais d'érosion ... 144

Figure 4. 16 : Ecart relatif entre les courbes d'écoulement des sédiments modèles d'érosion ... 145

Figure 4. 17 : Rhéogrammes des sédiments modèles des essais d'érosion dans le cas de l'expérience 1, 1(2), 1(3), 2, 2(1), 2(3) ... 145

Figure 4. 18 : Rhéogrammes des sédiments modèles des essais d'érosion dans le cas de l'expérience 3, 4, 5 et 6 ... 146

Figure 4. 19 : Paramètres d'Herschel-Bulkley pour les sédiments modèles utilisés pour les expériences d'érosion ... 147

Figure 4. 20 : Variation de la contrainte à l'interface tout au long du lit sédimentaire pour les différentes expériences ... 148

Figure 4. 21 : incertitudes sur les valeurs des contraintes rhéologiques ... 150

Figure 4. 22 : Energie cinétique turbulente pour les expériences d'érosion ... 152

Figure 4. 23 : Champs de fluctuations u' ... 153

Figure 4. 24 : Champs de fluctuations v' ... 154

L

iste des tableaux

Tableau 1. 1 : Avantages et inconvénients des géométries de mesures rhéométriques [16] [17] [2] . 18

Tableau 1. 2 : Modèles rhéologiques appliqués sur des sédiments cohésifs ... 23

Tableau 1. 3 : Relation entre la contrainte seuil des sédiments et sa concentration ... 24

Tableau 1. 4 : Propriétés des sédiments affectants l'érosion ... 26

Tableau 2. 1 : Propriétés des sédiments modèles fabriqués par POUV [19] ... 37

Tableau 2. 2 : Propriétés de la Laponite RD [52] [54] ... 40

Tableau 2. 3 : Résumé des études rhéologiques effectuées... 53

Tableau 2. 4 : Les paramètres testés pour le précisaillement ... 62

Tableau 2. 5 : Les papiers de verre et les entrefers utilisés pour les tests de glissement ... 66

Tableau 2. 6 : Matrice des essais d'ajout d'additifs sur le sédiment modèle mère ... 72

Tableau 3. 1 : Vitesses débitantes en fonction des pourcentages des puissances des pompes ... 85

Tableau 3. 2 : Les techniques PTV, PSV, PIV [71] ... 87

Tableau 3. 3 : Différence entre l'autocorrélation et l'inter-corrélation pour le traitement d'images de PIV [71] ... 92

Tableau 3. 4 : Paramètres de mesure PIV pour les différentes séries de plans ... 100

Tableau 3. 5 : Paramètres PIV pour les différents cas de vitesses étudiés CL et CR-P180 ... 103

Tableau 3. 6 : Paramètres PIV pour les différents cas de vitesses étudiés-CR-P40 ... 104

Tableau 3. 7 : Longueur d'établissement dans les différents cas de vitesses débitantes ... 106

Tableau 3. 8 : Epaisseur de la couche limite obtenue expérimentalement dans les différents cas d'étude ... 107

Tableau 3. 9 : Epaisseur théorique de la couche limite à différentes vitesses débitantes ... 108

Tableau 3. 10 : Résultats de débits obtenus pour les différentes vitesses débitantes ... 114

Tableau 4. 1 : Expériences préliminaires d'érosion ... 132

Tableau 4. 2 : Matrice des expériences d'érosion par mesure PIV ... 135

Tableau 4. 3 : Caractéristiques de caméras utilisées dans le cas des expériences avec sédiment .... 136

Tableau 4. 4 : Paramètres d'Herschel-Bulkley pour les sédiments modèles utilisés pour les expériences d'érosion ... 146

I

ntroduction

La sédimentation et le transport des sédiments ont fait l'objet de recherches appliquée et fondamentale depuis le 19ème siècle. En effet, les sédiments cohésifs (nommés aussi sédiments fins, vases ou boues) sont le résultat du dépôt des matières en suspension (MES) qui sont transportées dans les cours d’eau. Ce sont, pour l’essentiel, des particules de petites tailles comme les argiles, les minéraux et les matières organiques avec une importante fonction écologique. Ces sédiments cohésifs ont un enjeu environnemental important car ils sont les lieux de reproduction de nombreuses espèces aquatiques et du développement de la flore. Ce sont des contaminants qui sont à l’origine de la pollution et qui augmentent la turbidité de l’eau.

Les problèmes liés aux sédiments cohésifs sont nombreux comme l’envasement des ports, l’accumulation derrière les barrages, le blocage de la navigation des bateaux et qui nécessitent des opérations de dragage et de curage mécanique pour y remédier. C’est pourquoi il est nécessaire de comprendre la dynamique du transport des sédiments lorsqu’ils sont soumis à des forçages hydrodynamiques pour évaluer et prévoir l’impact de ces sédiments sur le système aquatique, les ouvrages d’art et la santé humaine. De ce fait, l’érosion des fonds sédimentaires est un processus important à étudier. Ce processus est contrôlé par les contraintes hydrodynamiques qui s’exercent sur les sédiments, mais aussi par la nature et la rhéologie du sédiment qui va définir son érodabilité. L’étude rhéologique est un moyen qui a optimisé les campagnes de dragage et diminué leur coût. Des groupes de travail et des programmes de recherches ont été organisés dans le but, à partir des caractéristiques rhéologiques des sédiments, d’obtenir une meilleure connaissance des processus hydro-sédimentaires. Du point de vue rhéologique, les sédiments cohésifs présentent des propriétés mécaniques complexes qui évoluent dans le temps et l’espace (contrainte seuil et thixotropie) et qui rendent difficile la problématique de transport.

Dans ce contexte, l’objectif du travail présenté dans ce mémoire vise à créer un modèle de sédiment transparent pour faire des expériences d’érosion locale dans un canal étroit (veine hydrodynamique).

En premier lieu, notre approche consiste à nous appuyer sur un sédiment modèle transparent avec une constitution connue et des propriétés mécaniques similaires et ajustables aux sédiments cohésifs naturels. En effet, les sédiments naturels englobent divers paramètres qui peuvent affecter l'érosion, ce qui rend complexe la compréhension de la dynamique d’une couche sédimentaire. Le sédiment cohésif modèle doit se fabriquer en utilisant des matériaux à seuil qui forment un gel sachant que les sédiments naturels ont cette même propriété de contrainte seuil.

En deuxième lieu, le but de cette thèse est de faire des expériences d’érosion locale en capturant à échelle locale le phénomène d’érosion et ceci par mesure optique Particle Image Velocimetry (PIV). En effet, les méthodes classiques servent à estimer la contrainte critique d’érosion par extrapolation des vitesses obtenues loin de l’interface d’où l’intérêt de faire des mesures proche du lit sédimentaire. En utilisant la mesure PIV, les contraintes hydrodynamique (laminaire et turbulente) et rhéologique à l’interface peuvent être déterminées et la question qui se pose alors : Existe-t-il une relation entre ces deux contraintes ?

Ce mémoire est constitué de quatre chapitres :

Le premier chapitre présente, de façon succincte, les notions qui rythment toute cette étude (rhéologie, sédiments cohésifs, érosion). Nous parlons tout d’abord de la rhéologie et principalement de la thixotropie et de la contrainte seuil qui sont les principales caractéristiques des sédiments. Ensuite, nous définissons les sédiments et leurs propriétés rhéologiques en précisant comment la contrainte seuil est mesurée ainsi que sa relation avec la concentration. Finalement, nous décrivons l’érosion et ses principales bases d’études.

Le deuxième chapitre concerne la fabrication du matériau modèle transparent à seuil (gel de Laponite + Carboxyméthylcellulose) simulant les sédiments cohésifs. Plusieurs préparations sont faites et étudiées rhéologiquement pour choisir un modèle de sédiment aux propriétés répétables et stables dans le temps. Une large étude rhéologique est faite sur le matériau choisi pour trouver le protocole de mesure à appliquer lors de mesure en érosion. La relation existant entre la contrainte seuil et la concentration ainsi que l’effet d’ajout de particules sur son comportement rhéologique sont étudiés.

Le troisième chapitre est consacré à la présentation du dispositif expérimental d’érosion (veine hydrodynamique droite) et de la technique de visualisation et d’acquisition des données utilisée lors des expériences (Particle Image Velocimetry (PIV)). Ensuite, une qualification de la veine est présentée pour caractériser l’écoulement (champ de vitesses, champ de contrainte, champ d’énergie cinétique turbulente) dans son état de référence sans sédiment modèle. Une étude détaillée de l’écoulement dans le plan médian de la veine est faite et une étude particulière est réalisée sur la couche limite.

Le quatrième chapitre concerne les essais d’érosion dans la veine hydrodynamique. Le protocole de la mise en place du sédiment modèle dans la veine est décrit. Des expériences préliminaires, sans mesures PIV, sont faites pour trouver les cas où le phénomène d’érosion a lieu. Ensuite, par mesures PIV, les expériences choisies sont répétées et les champs de vitesses, de contraintes laminaire et turbulente, d’énergie cinétique turbulente sont tracés. En même temps que les essais d’érosion, des essais rhéométriques sont faits pour comparer la contrainte rhéologique du sédiment à celle hydrodynamique qui agit sur le sédiment.

C

hapitre 1

Bibliographie

Dans ce premier chapitre, nous allons présenter les éléments importants portant sur la rhéologie, les sédiments cohésifs ainsi que sur l’érosion. Tout d’abord, la définition de la rhéologie ainsi que les problèmes rencontrés dans ce domaine sont présentés. Nous abordons après plus précisément les propriétés de contrainte seuil des matériaux et la thixotropie qui sont les principales caractéristiques des sédiments. Nous nous intéressons ensuite aux méthodes appliquées pour la mesure de contrainte seuil ainsi que la relation existant entre cette contrainte et la concentration. Finalement, un état de l’art de l’étude de l’érosion des sédiments est réalisé et plus particulièrement les méthodes usuelles qui sont employées.

Chapitre 1

1. Rhéologie

La rhéologie est la science qui se trouve à la frontière entre la physique, la mécanique des fluides, la mécanique des solides. C’est la discipline qui étudie l’écoulement et les déformations de la matière sous l’action des contraintes. En effet, la rhéologie s’adresse aux fluides complexes qui nécessitent la compréhension de son comportement et la définition de ses propriétés tels que les produits alimentaires (yaourts, sauces, mayonnaises...), les produits cosmétiques (crèmes, pâtes dentifrice, shampoings…), les produits d’entretien (gels, cires, peintures…) mais aussi les bétons, les boues des forages et les sédiments cohésifs. [1]

La contrainte de cisaillement « τ » et la vitesse de cisaillement « » sont les deux paramètres principaux sur lesquels reposent les mesures rhéologiques. La contrainte de cisaillement est le rapport de la force sur la surface générée lors du déplacement de deux couches de fluide l’une par rapport à l’autre. Par ailleurs, la vitesse de cisaillement représente la dérivée par rapport au temps de la déformation de cisaillement. La représentation graphique de l’évolution de la contrainte de cisaillement en fonction de la vitesse de cisaillement s’appelle « rhéogramme ». D’un point de vue pratique, nous utilisons un appareil de laboratoire nommé « rhéomètre » pour la réalisation des mesures des propriétés rhéologiques d’un fluide. Son principe de fonctionnement consiste à appliquer une contrainte ou une vitesse de cisaillement à un échantillon par l’intermédiaire d’une géométrie.

1.1. Fluides visqueux indépendant du temps

1.1.1. Fluides Newtoniens

Ils s’appellent aussi liquides linéaires ou liquides parfaits. Dans ce cas, les contraintes de cisaillement sont proportionnelles au gradient de vitesse et la viscosité est indépendante de la contrainte appliquée et du temps. C’est une caractéristique de chaque fluide qui dépend de la température et de la pression. L’équation rhéologique s’écrit sous la forme :

τ = μ (1.1) avec μ (Pa.s) la viscosité dynamique du liquide dite absolue dans ce cas. Parmi les liquides appartenant à cette famille, on trouve l’eau, l’air, le miel…

1.1.2. Fluides Non-Newtonien

Ils s’appellent aussi liquides non-linéaires. Dans ce cas la viscosité n’est plus constante et on définit une viscosité apparente qui dépend du gradient de vitesse .

a. Fluides rhéofluidifiants (shear thinning fluids)

Ils se définissent par une viscosité apparente qui diminue en fonction de la vitesse de cisaillement. Dans ce cas, des modifications se développent au niveau microscopique : c’est l’orientation et la configuration des molécules constitutives qui sont modifiées par le cisaillement à l’exception de toute évolution structurelle [2]. Les particules sont parfaitement désordonnées à faibles vitesses de cisaillement, puis avec l’augmentation de vitesse, il y aura des orientations progressives des particules dans le sens de l’écoulement et pour des fortes

Chapitre 1

vitesses, elles sont parfaitement orientées. Parmi les liquides qui appartiennent à cette famille, on trouve les suspensions, les dérivés de la cellulose, les polymères fondus…

Les principales lois modélisant ce comportement sont :

 Loi de puissance (loi d’Ostwald de Waele)

τ = k ; n < 1 (1.2)

Figure 1. 1 : Loi de puissance pour les fluides rhéofluidifiants

avec k (Pa.sn) et n des constantes positives appelées respectivement la consistance et l’indice de viscosité du fluide.

 Loi de Carreau

= (1.3)

où est la viscosité à cisaillement nul, est la viscosité à cisaillement infini, est une constante de temps et un paramètre qui décrit la transition entre le comportement à faible cisaillement et la région en loi de puissance.

b. Fluides rhéoépaississants (shear thickening fluids)

Ils se définissent par une viscosité apparente qui augmente en fonction de la vitesse de cisaillement. Ce comportement est beaucoup moins fréquent que le comportement fluidifiant. Il est spécifique aux dispersions très concentrées, aux suspensions d’amidon…

Ils peuvent se modéliser selon la loi de puissance déjà citée avec n >1.

Chapitre 1

c. Fluides viscoplastique (à seuil)

Ils se définissent comme des fluides qui ne s’écoulent qu’à partir d’une certaine « contrainte seuil » notée Au-dessous de la contrainte seuil, le matériau se comporte comme un solide et ne s’écoule pas. Par contre, au-dessus de la contrainte seuil, le matériau va s’écouler et il peut suivre un comportement Newtonien, rhéofluidifiant ou rhéoépaississant. De nombreux matériaux présentent ce type de comportement : le dentifrice, les boues de forage, certains gels, les sédiments…

Le terme « contrainte seuil » a largement été utilisé en particulier dans l'ingénierie et les milieux industriels, elle a soulevé une vive controverse depuis plus de quatre décennies et elle ne reste pas entièrement comprise [3]. Barnes et Walters [4] ont nié l’existence de la contrainte seuil comme un « paramètre propre au matériau ». Ils ont dit que la contrainte seuil peut être tout simplement un artefact instrumental en raison de la faible sensibilité de l'appareil de mesure dans une gamme d’infiniment petites déformations. Mais ces dernières années, la sensibilité et la mesure des rhéomètres commerciaux se sont bien améliorées et cette interprétation semble être écartée. [3]

Cependant, la contrainte seuil a pris plusieurs définitions dont nous citons quelques-unes : La contrainte seuil est considérée comme “a material property denoting a transition between solidlike and liquidlike behavior” [5]. La contrainte seuil du modèle quantifie la quantité d’effort que peut supporter le fluide avant qu’il commence à s’écouler. Un certain niveau de contrainte est nécessaire pour détruire ces structures et produire l’écoulement.

Baudez [6] a défini une contrainte critique qui est associée à une vitesse de cisaillement critique. En deçà de cette zone critique, les forces colloïdales tendent à former une structure solide et les forces de cisaillement tendent à la détruire. Quand le seuil est atteint, les forces de cisaillement dominent et la structure solide se casse en produisant ainsi l’écoulement.

Pereira et Pinho [7] ont dit que la contrainte seuil d’un fluide est reliée aux forces de liaison dans la suspension et elle est donc une mesure de la force nécessaire pour rompre la structure quand elle est totalement formée sous une condition statique. Pour des contraintes supérieures à la contrainte seuil, la structure interne du fluide se détruit.

Pour le cas des sédiments cohésifs, dont nous discuterons plus amplement après, Granboulon et al. [8] ont dit que la vase fluide a un état physique intermédiaire entre un solide et un liquide. Kervella [9] précise que pour les sédiments cohésifs, il existe un seuil d’écoulement et, dans une certaine mesure, l’ordre de grandeur de ce seuil peut être rapproché de celle de la rigidité initiale définie par Migniot en 1968. C’est la contrainte dite de “restructuration”. Partheniades [10] montre qu’à partir d’une certaine limite de concentration, les sédiments cohésifs ont une contrainte seuil reliée à une force « yield shear strength ou Bingham strength ». Pour des contraintes plus petites que cette force, les suspensions de sédiments se comportent comme des solides plastiques. Pour des contraintes plus grandes, ils se comportent comme des fluides avec une viscosité constante ou variable.

Chapitre 1

Les principales lois modélisant ce comportement sont :

 Loi de Bingham : le matériau ne commence à s’écouler qu’au-delà de la contrainte seuil et présente ensuite un comportement Newtonien.

L’équation rhéologique s’écrit :

= 0 τ <

τ = + μ τ (1.4) avec (Pa) la contrainte seuil, μ (Pa.s) la viscosité apparente ou viscosité de Bingham.  Loi d’Herschel-Bulkley : dans ce cas, le matériau ne présente pas un comportement

Newtonien au-delà de la contrainte seuil mais une loi de puissance suivant l’équation suivante :

= 0 τ <

τ = + k τ (1.5)

avec (Pa) la contrainte seuil, k (Pa.sn) la consistance et n l’indice de comportement. Si 0<n<1 le comportement est rhéofluidifiant et si n>1 le comportement est rhéoépaississant. Pour n=1 on trouve le fluide de Bingham.

Figure 1. 3 : Fluide à seuil cas n<1 [11]

 Loi de Casson : selon la formule suivante :

= 0 τ <

= + τ (1.6) Les deux premières lois sont aussi utilisées pour caractériser les sédiments cohésifs comme nous le montrerons dans la suite.

1.2. Fluides visqueux dépendant du temps

Dans ce cas la viscosité apparente dépend du temps car les modifications de la structure interne du fluide est lente.

Chapitre 1

1.2.1. Thixotropie

Dans le cas des fluides visqueux indépendants du temps, les modifications de structure interne sont très rapides et le temps n’intervient pas de façon apparente dans les équations d’écoulement [11]. Lorsque ces modifications se font de manière plus lente, le comportement du matériau va dépendre du temps. D’un point de vue simplifié, la thixotropie peut être définie comme un phénomène réversible de structuration du matériau au repos et de liquéfaction lorsqu’il est soumis au cisaillement [11].

Du fait que cette notion soit complexe, plusieurs définitions ont été faites :

Le Groupe Français de Rhéologie a défini un matériau comme thixotrope si sa viscosité apparente diminue en fonction du temps à vitesse de cisaillement (ou contrainte) constante. Après l’arrêt de la sollicitation, le matériau récupère ses propriétés initiales après un temps suffisamment long [11].

En 1989, Barnes et al. [12] ont défini la thixotropie d’une façon semblable à la précédente par : « decrease [in time] of ... viscosity under constant shear stress or shear rate, followed by a gradual recovery when the stress or shear rate is removed ». Barnes [13] précise que la thixotropie est un phénomène de structuration/déstructuration où la structuration peut prendre plusieurs heures, sachant que la déstructuration peut prendre quelques minutes. La déstructuration peut prendre plusieurs formes selon le matériau :

 Alignement des chaînes des particules dans la direction de l’écoulement,  Pertes de jonctions dans le cas de solutions de polymères,

 Réarrangement de la microstructure dans une suspension : désintégration des flocs. Il a expliqué que dans le cas des suspensions floculées, la microstructure au repos est une série de macro flocs. Lorsqu’une vitesse de cisaillement augmente progressivement, la dimension des flocs diminue jusqu’à une vitesse de cisaillement élevée où ils se désintègrent totalement en particules primaires.

Pour Baudez [14], la boucle d’hystérésis de la courbe d’écoulement ne définit pas le caractère thixotrope des boues. La thixotropie s’explique par la désintégration sous l’application de vitesse de cisaillement de la structure interne de la suspension liquide en fonction du temps. La thixotropie démontre la dépendance du temps à la variation de la structure des boues à vitesse de cisaillement constante ce qui montre que c’est une compétition entre les forces de floculation et de défloculation [6]. Il a corrélé le degré élevé de la thixotropie du matériau à l’interaction forte entre les particules solides [15] .

Parmi les fluides thixotropes on cite le yaourt, la mayonnaise, la bentonite qui est utilisée comme boue de forage et la Laponite une argile synthétique.

1.3. Géométries de mesure des rhéomètres

Les trois géométries les plus classiquement utilisées pour les tests rhéométriques sont la géométrie cône-plan, la géométrie plan-plan et les cylindres concentriques (ou géométrie de Couette). Le tableau 1.1 résume les avantages et inconvénients associés à chaque géométrie.

Chapitre 1

Géométries

Cône-plan Plan-plan Couette

le cisaillement se fait suivant l’axe vertical de façon homogène dans l’échantillon.

le cisaillement se fait radialement et verticalement

conduisant à une non

homogénéité de celui-ci.

le cisaillement se fait radialement entre les deux cylindres conduisant à une non homogénéité de celui-ci.

Avantages

- une très bonne précision tant que l’angle entre le cône et le plateau est plus petit que 5°. La contrainte τ et la vitesse de cisaillement sont constantes en tout point de l’échantillon,

- le volume d’échantillon est faible,

- elle est particulièrement adaptée à l’étude des matériaux qui dépend de l‘histoire mécanique.

- la mise en place est facile et rapide,

- les limites du taux de cisaillement sont réglables en changeant l’entrefer ou le diamètre du plan,

- les problèmes de glissement peuvent être surmontés en

utilisant des plans

striés/sablés.

- cette géométrie est fréquemment utilisée, - elle minimise l’influence des effets de bords et permet

de s’affranchir des

problèmes de séchage de

l’échantillon lors de

cisaillement prolongé, - elle est préférée pour des

suspensions grossières.

Inconvénients

- elle ne convient pas pour les dispersions avec de

grosses particules qui

peuvent entraîner des

phénomènes de blocage, - elle est extrêmement sensible au positionnement correct du sommet fictif du cône.

- l’inconvénient majeur est la variation de gradient de vitesse entre une valeur nulle près de l’axe et une valeur maximum à la périphérie.

- la nécessité de disposer d’un volume d’échantillon relativement important. - l’hétérogénéité de la contrainte et du gradient de vitesse entre les deux cylindres.

les problèmes d’effets de bord que posent ces deux géométries et les précautions qui s’imposent vis-à-vis des mesures : le phénomène perturbateur « creusement » est évolutif et il dépend du temps et de la vitesse de cisaillement. Il est nécessaire de nettoyer la périphérie de l’échantillon (le rayon est très sensible à la mesure)

Chapitre 1

1.4. Effets perturbateurs de mesure en rhéomètre : le glissement

Il existe plusieurs effets perturbateurs de la mesure en rhéométrie comme le creusement, l’évaporation mais aussi « le glissement ». Le glissement est le phénomène perturbateur qui peut se produire avec toutes les géométries et il est le plus courant et le plus grave dont on parlera.

Le glissement est essentiellement lié à la décroissance naturelle de la concentration solide près d’une paroi lisse en l’absence d’interactions particulières entre les particules et la paroi. Donc la forme de l’interface entre l’outil et la suspension joue un rôle important. C’est pourquoi la rugosité des parois est une méthode pour éviter le plus possible le glissement. Plus la rugosité de paroi augmente, plus la chute de concentration en particules solides à l’approche de la surface limite diminue. Une rugosité de l’ordre de la taille des particules est recommandée et doit être disposée de façon aléatoire pour éviter des directions d’écoulement privilégiées. La conséquence de ce phénomène est un abaissement du niveau de la contrainte mesurée pour une vitesse de cisaillement donnée : c’est une sous-estimation de la viscosité apparente. [16]

Figure 1. 4 : Aspect du cisaillement à la périphérie d'un échantillon au sein d'une géométrie plan-plan[16]

En présence de glissement, les données fournies par le rhéomètre ne conduisent plus à une mesure absolue, caractéristique du matériau. Par contre, si les courbes obtenues par le rhéomètre sont indépendantes de la géométrie utilisée, de la taille de l’entrefer et de la taille de la rugosité, la mesure est caractéristique du matériau. En fait, c’est un phénomène associé à un couple fluide/configuration d’écoulement [1].

Dans le cas de fluides à seuil, l’abaissement de la contrainte est plus significatif et peut conduire à sous-estimer de manière importante la valeur de ce seuil. De plus, il a été montré que certains matériaux (ciments, boues argileuses, mayonnaise), supposés être des fluides à seuil simple, sont incapables de s’écouler de manière stable lorsque le gradient de vitesse est inférieur à une valeur critique. Au-dessous de ce gradient critique, on obtient une localisation du cisaillement, ou bande de cisaillement, dont les effets sont similaires à ceux observés avec un glissement. [18]

Chapitre 1

2. Sédiments cohésifs

2.1. Définition et impact sur l’écosystème

Les sédiments peuvent être classés en trois catégories, sédiments non cohésifs, sédiments cohésifs et sédiments mixtes :

 Les sédiments non cohésifs contiennent des particules grossières comme les graviers, les sables, les galets de tailles supérieures à 63 µm où généralement il n’existe pas d’interactions physico-chimiques entre eux [9]. Les grains des matériaux non cohésifs peuvent, eux, se déplacer indépendamment.

 Les sédiments cohésifs sont composés d’un mélange d’argiles, de limons, de sables fins, de matière organique et d’eau minéralisée.

Le principal composant est l’argile de taille inférieure à 2 µm (kaolinite, illite ou smectite) et sa présence conditionne le comportement mécanique de la vase [19]. Il est responsable de la nature cohésive des sédiments.

Les particules de taille inférieure à 0,1 μm représentent la fraction colloïdale sachant que les limons ont une taille entre 2 μm et 63 μm. Les sables sont les particules les plus larges qui se trouvent dans les sédiments cohésifs dont la taille varie entre 63 μm et 2 mm. Ils sont généralement composés de « quartz » [34].

La fraction organique provient des rejets domestiques, des activités industrielles et des débris végétaux. En milieu marin, les polysaccharides constituent un des principaux composés organiques possédant des pouvoirs floculants [9].

Les sédiments cohésifs sont différents des sédiments non cohésifs du fait de l’existence de forces attractives entre ces particules fines qui tendent à s’assembler et former un réseau structurel [19]. Les particules ont une tendance à se lier ensemble pour former de larges unités, de faibles densités (agrégats). Ce processus est fortement dépendant du type de sédiment, du type et de la concentration des ions dans l’eau et des conditions d’écoulements [21].

 Les sédiments mixtes constituent un mélange de particules fines et de particules plus grosses comme le sable. Dans le milieu naturel, ils peuvent se présenter sous deux formes, un mélange de fines et de sables ou sous forme de couches alternées de sables et de vases d’épaisseurs variables. La forme dépend du degré d’exposition aux différents forçages hydrodynamiques. [9]

Chapitre 1

Figure 1. 5 : Sédimentation vaseux au niveau de la baie du Mont Saint Michel

Les principales caractéristiques des sédiments cohésifs qui influencent leur entraînement et leur transport sont nombreuses [81]. Voici les principales :

 La granulométrie,  L’orientation des grains,  La teneur en eau,

 La densité apparente,  La cohésion,

 La perméabilité.

Les impacts des sédiments cohésifs sur l’écosystème peuvent être classés en quatre ensembles qui sont :

 Impact des sédiments sur les surfaces et interfaces continentales : érosion des sols et perte de terres cultivables (impacts locaux, sécurité alimentaire),

 Impact des sédiments sur les écosystèmes aquatiques : atténuation de la lumière liée à la turbidité, transport et fixation de métaux lourds,

 Impact des sédiments à l’interface Continent-Océan : érosion des côtes par effets naturels (rupture du flux sédimentaire par les barrages),

 Aléas et risques naturels : coulées de boues. [20]

2.2. Rhéologie de sédiments

Les sédiments se comportent comme des fluides viscoplastiques (rhéofluidifiants) avec une contrainte seuil qui représente la force de cohésion de la structure du sédiment. Ces sédiments possèdent aussi le caractère thixotrope, leur histoire mécanique et le temps ont un effet important. Les propriétés rhéologiques des sédiments cohésifs caractérisent sa résistance à l’écoulement, sa déformation et son changement de structure. Ils sont importants pour estimer sa sensibilité à l’érodabilité. À cause de la relation directe entre la rhéologie et la structure des

Chapitre 1

sédiments cohésifs, les mêmes paramètres qui influencent les forces de liaisons entre les particules affectent aussi la rhéologie des sédiments [22]. Ce sont la salinité, la concentration en sédiment, la composition minéralogique ainsi que la quantité et la nature des matières organiques [23].

2.2.1. Mesure de la contrainte seuil des sédiments

La mesure de la contrainte seuil des sédiments a reçu une attention particulière à cause de la corrélation pouvant exister entre cette dernière et l’érosion. Cependant, les deux sont reliés à la résistance du lit de sédiment [24].

En dépit de l’augmentation de la résolution et de la précision de l'équipement moderne rhéométrique, les mesures de la contrainte seuil sont partiellement reproductibles. En effet, la première des raisons est liée à la nature même des sédiments qui sont des matériaux naturels avec des compositions minéralogiques et chimiques variant en fonction du lieu de prélèvement. La deuxième est liée au choix de différents types de protocoles rhéologiques pour la détection de la contrainte seuil : les rampes d'écoulement (soit en contrainte ou en en vitesse de cisaillement imposée), les tests de fluage et les balayages oscillatoires [3].

Au tout début, la contrainte seuil a été mesurée en utilisant le viscosimètre Brookfield qui mesure le moment de torsion nécessaire pour mettre en mouvement un cylindre immergé dans un fluide [25] [8]. Bien que cette méthode soit toujours la même sur les rhéomètres modernes, la précision de la mesure a beaucoup augmenté. Les différents protocoles appliqués peuvent maintenant conduire à des résultats plus fiables.

L’application d’une rampe de contrainte est l’une des méthodes utilisées pour trouver la contrainte seuil du matériau [17]. Généralement dans ce cas, la viscosité apparente augmente tant que la contrainte seuil n’est pas dépassée, puis elle diminue lorsque les interactions interparticulaires commencent à se briser. La contrainte seuil correspond donc au maximum de la viscosité apparente.

Dans l’étude de Pham Van Bang [26] des mesures sont faites sur des vases prélevées dans le port du Havre en utilisant le rhéomètre Bohlin C-VOR 200. Une courbe d’écoulement est appliquée pour trouver la contrainte seuil (un précisaillement de 50 s-1pendant 30s suivi d’un repos de 30s, ensuite une montée suivi d’une descente dont chaque phase a une durée de 200s). Dans ce cas, le seuil de contrainte correspond à la valeur de la contrainte pour laquelle une transition solide-liquide est observée dans la courbe de montée. Cela se traduit par un changement abrupt de pente dans le comportement. Le point d’intersection de ces deux pentes est défini comme la contrainte seuil et correspond à une valeur critique de vitesse de cisaillement de 0,02 s-1 dans son cas.

Pereira et Pinho [7] ont utilisé plusieurs méthodes pour trouver la contrainte seuil. Directement, par tests de fluage en appliquant des valeurs croissantes de palier de contraintes pendant une durée de temps de 6s suivi par un repos (contrainte nulle) durant 6s. Quand la contrainte appliquée est supérieure à la contrainte seuil, une déformation résiduelle reste présente après le repos. Une déformation remarquable est obtenue lorsque le seuil est bien dépassé. Indirectement, en appliquant des extrapolations (modèles rhéologiques) sur les rhéogrammes. Dans ce cas le modèle de Casson et le modèle Herschel-Bulkley sont appliqués.

Chapitre 1

D’après ces auteurs, la différence entre les valeurs de contrainte seuil obtenues est normale : le test de fluage mesure la contrainte seuil sans détruire la structure interne du fluide, sachant que la méthode indirecte s’appuie sur un autre état d’équilibre dynamique. Ils ont trouvé que le seuil obtenu par les résultats hydrodynamiques est en rapport avec celui obtenu par la méthode indirecte, soit le modèle d’Herschel-Bulkley.

2.2.2. Modèles rhéologiques appliqués sur des sédiments cohésifs

Dans la plupart des études s’intéressant aux comportements des sédiments cohésifs, une grande majorité des auteurs utilise le modèle rhéologique de Bingham [9]. Cependant d’autres modèles comme le modèle d’Herschel-Bulkley sont aussi appliqués. Dans le tableau suivant nous regroupons le type de sédiment étudié avec le modèle appliqué et l’appareil utilisé.

Type de sédiment

Modèle appliqué Appareil utilisé référence

sur des suspensions sédimentaires, différentes lois selon l’état de tassement, ou suivant la concentration ont été appliquées :

- « Newtonien » pour la suspension peu concentrée

- « Bingham » pour la suspension moyennement concentrée

- « Casson » pour la suspension très concentrée Viscomètre Brookfield [27] Boues (sludge) Bingham [28] Herschel-Bulkley [29], [15] Vase de l’estuaire de la Gironde

Bingham Viscomètre Brookfield [8]

mixte vases/sable de la baie de Marennes-Oléron

Herschel-Bulkley. il est satisfaisant sur la partie de la courbe de descente inférieure à 10 s-1

Rhéomètre de type Physica MCR301 avec une géométrie plan-plan

[9]

Sédiment de la baie de Quiberon

Herschel-Bulkley Rhéomètre Malvern Gémini avec

une géométrie plan-plan

[30]

Chapitre 1

2.2.3. Relation entre la contrainte seuil des sédiments cohésifs et sa concentration

Plusieurs auteurs ont formulé des expressions de la contrainte seuil en fonction de la concentration. Il apparaît que la relation suit soit une loi exponentielle, soit une loi de puissance. Le tableau suivant montre quelques-unes de ces expressions.

Auteur Nature de sédiment Formule Migniot [27] Plusieurs types de sédiments cohésifs bTsa

avec (Pa) la rigidité initiale mesurée avec un Brookfield, Ts (g/l) la concentration et a et b sont des entiers qui dépendent du complexe sol-eau (fluide, plastique) Kervella [9] Vase de la baie Marennes-Oléron 5 10-7 C3

avec (Pa) le seuil de contrainte de fluide interstitiel à une teneur en eau donnée et C (g/l) la concentration en solide

Hosseini [31]

Vase de la Loire = 1,39 10-5 C2,36 si 40 kg/m3 < C < 182kg/m3 1,5 10-11 C5 si 182 kg/m3 < C < 420kg/m3

(Pa) la rigidité initiale mesurée avec un Brookfield et C (kg/m3) la concentration Granboulan et al. [8] Vase de la Gironde exp ( )

avec (Pa) la rigidité initiale mesurée avec un Brookfield, C (g/l) la concentration de la masse solide et x et y sont des valeurs obtenues selon la salinité de l’eau (fraîche, saumâtre, eau de mer) Pham Van Bang

[26]

vase du port du Havre

0,05704 exp ( )

avec (Pa) la contrainte seuil obtenue sur la courbe d’écoulement pour un gradient de vitesse critique égal à 0,02 s-1 et la fraction volumique solide

Chapitre 1

3. Erosion

3.1. Définition

Le processus du transport de sédiment se fait par des étapes successives de déposition et de resuspension. La figure ci-contre montre ce processus. Cependant, on s’intéresse dans notre étude au phénomène d’érosion (figure ci-dessous).

Figure 1. 6 : Cycle de déposition et resuspension de sédiment cohésif [32]

L’érosion des fonds sédimentaires est un processus de la dynamique sédimentaire, mais aussi dans l’évolution de la qualité de l’eau, et en particulier dans la remobilisation de contaminants piégés dans les sédiments. Ce processus est contrôlé par les contraintes hydrodynamiques qui s’exercent sur les sédiments, mais aussi par la nature et la rhéologie du sédiment qui va définir son érodabilité. Le transport de sédiment est généralement considéré comme un processus purement physique, résultant de la réponse du lit de sédiment aux forces hydrodynamiques dans l’environnement fluvial ou costal [33].

La stabilité du lit de sédiment dépend de la balance entre les forces hydrodynamiques qui causent l’érosion et les forces dans la structure du sédiment qui s’opposent au mouvement. On parle d’érosion lorsque les forces érosives dépassent les forces de résistance du sédiment.

3.2. Facteurs influençant sur l’érosion

L’étude de la dynamique des sédiments devra prendre en compte la diversité de ces propriétés (physiques, géochimiques et biologiques) qui sont indispensables à leur érosion. L’érosion ne dépend pas d’une propriété individuelle, c’est l’interaction entre les différentes propriétés. Le tableau suivant résume les principales propriétés des sédiments affectants l’érosion. L’effet de chaque propriété sur l’érosion (corrélation positive ou négative) est synthétisé dans [34].