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Submitted on 16 May 2020
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Qualification d’un système de distribution de sédiments
C. Prouteau
To cite this version:
C. Prouteau. Qualification d’un système de distribution de sédiments. Sciences de l’environnement.
2017. �hal-02606391�
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PROUTEAU Corentin
Qualification d’un système de distribution de sédiments
Stage de fin d‘étude
Maitres de stage : BUFFET Alexis & BERNI Céline
Tuteur IUT : BOYER Sylvain
Année 2017
DUT MPh
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3 Je tiens à remercier M BUFFET Alexis, technicien de la recherche et maître de stage, qui m’a encadré tout au long de ce stage. Il a su être disponible quand il en avait la possibilité pour m’aider.
Je tiens aussi à remercier Mme BERNI Céline, chargée de recherche et maître de stage, pour son aide. Ses conseils et ses exigences qui m’ont permis de mieux diriger mon travail tout au long du stage.
J’exprime ma reconnaissance à tous les membres de l’unité de recherche d’Hydrologie- Hydraulique qui m’ont apporté leurs aides à un moment donné. L’ambiance de travail dans cette équipe a été un excellent moteur de motivation.
Enfin, je tiens à remercier M BOYER Sylvain, tuteur de stage, pour être venu me rendre visite à l’Irstea et pour son intérêt manifesté à l’égard des sujets réalisés.
4
5
Sommaire
Introduction ... 6
1. Présentation de l’environnement de stage ... 7
1.1. L’histoire Irstea ... 8
1.2. Centre Lyon-Villeurbanne ... 8
1.3. Hall hydraulique et canal inclinable ... 9
2. Le projet et le contexte du stage... 10
2.1. Le contexte ... 10
2.2. Les objectifs ... 10
3. Alimentation solide ... 11
4. Tests sur les sédiments ... 12
4.1. Masse volumique ... 12
4.2. Porosité ... 12
4.3. Granulométrie ... 12
4.4. Résultat des tests initiaux sur le gravier ... 13
5. Développement d’outils pour la calibration ... 14
5.1. Utilisation de LabVIEW ... 14
5.2. Modèle et tableau Excel ... 15
6. Qualification de l’alimentation solide ... 16
6.1. Méthode d’acquisitions pour mesurer un débit solide ... 16
6.2. Premiers tests avec le sable et premiers résultats ... 16
6.3. Série initiale d’expériences avec le gravier ... 19
6.3. Séries finales et couples de paramètres avec le gravier ... 21
6.4. Influence de l’alimentation solide sur les sédiments ... 23
7. Application à des expériences de morpho-dynamiques ... 24
Conclusion ... 26
Annexes ... 27
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Introduction
Durant la fin du printemps 2016, l’Europe a connu un fort épisode pluvieux qui a entrainé de graves crues et inondations. Celle-ci causa la mort de 19 personnes et des dégâts matériels évalués à un milliard d’euros. Pour éviter ce type de catastrophe, la recherche s’intéresse depuis des années à comprendre comment se comportent les inondations et les crues, afin d’éviter les conséquences désastreuses aussi bien pour les personnes que pour les biens. Mais les crues sont difficiles à étudier sur le terrain car ce sont des évènements ponctuels qui sont difficiles à prévoir. De plus, comme il s’agit d’un phénomène naturel imprévisible et violent, les recherches sur le terrain sont toujours à risque. Pour cela la recherche a investi dans des maquettes afin de simuler au mieux les écoulements. Mais une expérience de laboratoire ne prend pas toujours en compte tous les paramètres d’une crue réelle. Cela permet par contre de simplifier et d’approfondir un phénomène particulier.
Il faut donc continuer le développement des méthodes ainsi que les sujets d’étude dans le domaine. Il en comporte une grande variété car un fleuve très large ne va pas se comporter comme des rapides de montagne. De plus la nature du sol influe énormément sur le comportement des crues. C’est pour toutes ces raisons que les sujets de recherche sont complexes dans le domaine et que la recherche doit encore avancer dans ce secteur en s’aidant des nouvelles technologies.
Mon stage s’est principalement axé autour de la recherche sur le transport des sédiments. C’est un domaine de recherche qui a un réel impact aussi bien sur le plan écologique que sur le plan économique. Son étude a de grands intérêts aussi bien pour la protection des écosystèmes qui vivent aux alentours des rivières, que pour les infrastructures humaines telles que les ponts ou les barrages hydroélectriques. Il existe une grande variété de sédiments avec des propriétés différentes. De plus, les sédiments ne réagissent pas de la même façon s’ils sont en présence ou non d’autres sédiments. La morphologie et les propriétés des rivières impactent aussi la façon dont va se comporter le transport des sédiments. Il existe une grande variété de cas plus ou moins similaires, presque autant qu’il existe de cours d’eau.
C’est pourquoi des centres tels que l’Irstea mènent des recherches dans de nombreux domaines très variés. Après une présentation de ce centre de recherche, je vais vous présenter le contexte, les objectifs et le travail que j’ai effectué durant mon stage ainsi que les conclusions de celui- ci.
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1. Présentation de l’environnement de stage
Irstea est un établissement public de recherche, spécialisé en sciences et technologies pour l'environnement. Les équipes de recherche d’Irstea travaillent sur des thèmes comme l’agriculture responsable, la gestion de l’eau et les risques associés, l’étude des écosystèmes complexes, … Outre la contribution au progrès des connaissances, les équipes d’Irstea diffusent des méthodes de diagnostic et de contrôle, développent des outils de négociation et de gestion, conçoivent des technologies innovantes et apportent leur expertise aux services publics et aux entreprises.
Irstea c’est 1550 collaborateurs et personnels dont 1100 chercheurs, ingénieurs, doctorants et post-doctorants répartis sur 9 centres régionaux composés de 14 unités de recherche dont 5 mixes.
La figure 1 représente les différents sites où est implanté Irstea et les différents thèmes de recherche abordés.
Figure 1 : irstea en France
8 1.1. L’histoire Irstea
Irstea, l’Institut national de Recherche en Sciences et Technologie pour l’Environnement et l’Agriculture a été créé en 1971. À cette époque, il s’appelait le Centre national d’Etudes Techniques et de Recherches Technologiques pour l’Agriculture, les Forêts et l’Equipement Rural (CERAFER). Les études couvraient des domaines très variés comme l’agriculture en montagne, le suivi des innovations techniques, les problèmes liés à l’utilisation ou la maîtrise de l'eau. Puis, en 1973, il est devenu le Centre Technique du Génie Rural des Eaux et des Forêts (CTGREF). En 1982, l’Institut devient un Établissement Public à caractère Administratif et est sous la tutelle du ministère de l’agriculture. Il devient à cette occasion le Centre national du Machinisme Agricole du Génie Rural, des Eaux et des Forêts (CEMAGREF). Dès 1986, il devient un établissement public à caractère scientifique et technologique sous la double tutelle des ministères de l’agriculture et de la recherche. Ce n’est qu’en 2012 que cet institut prend le nom Irstea.
1.2. Centre Lyon-Villeurbanne
Aujourd’hui, les thèmes de recherche à Lyon sont centrés sur l’épuration des eaux, les risques liés à l’eau et la restauration des milieux. Il y a trois unités de recherche à irstea :
● L’unité de recherche Hydrologie - Hydraulique (HH)
● L’unité de recherche Milieux Aquatiques Écologie et Pollutions (MAEP)
● L’unité mixte de recherche Gestion des Services Territoriaux de l’eau et de l'environnement (GESTE)
Figure 2 : organigramme structurel du centre Lyon -Villeurbanne
9 J’ai intégré pour ma part l’unité de recherche en Hydrologie et Hydraulique. Cette unité mène des recherches pour mieux gérer les ressources en eau et les risques liés aux inondations et aux sécheresses. Elle est composée de trois équipes : l’équipe Hydraulique des rivières, l’équipe Hydraulique des bassins versants et l’équipe Métrologie. Au sein de l’équipe métrologie, nous travaillons sur le développement et la mise en œuvre de moyens techniques pour la réalisation des projets de l’unité de recherche HH.
1.3. Hall hydraulique et canal inclinable
Irstea Lyon-Villeurbanne possède un hall hydraulique de 350 m². Il est composé de trois maquettes de grande taille : le canal large, le canal inclinable et le modèle urbain (Annexe A : plan du hall hydraulique d’Irstea). Toutes ces expériences sont alimentées en eau en circuit fermé via des réserves d’eau claire stockées au sous-sol.
Le canal inclinable a été conçu plus spécifiquement pour l’étude du transport sédimentaire.
Il est long de 18 m, large de 1 m et haut de 0.85 m (Annexe B : photo et schéma 3D du canal inclinable). Sa pente est réglable de 0 à 5%. Il est équipé de plusieurs types de capteurs :
● Mesure de hauteur d’eau par ultra-son (3 mobiles),
● Mesure de débit par débitmètre électromagnétique en amont du canal,
● Mesure de vitesse par sonde de Pitot, par vélocimètre acoustique Doppler, par stéréo PIV laser (imagerie de particules) ou LS-PIV (vitesses de surface),
● Mesure de pression,
● Mesure de concentrations.
Ces capteurs sont fixés sur un rail motorisé permettant leurs déplacements afin de faire des mesures tout le long du canal. Le canal est alimenté en eau grâce à une réserve de plus de 30 m³ et deux pompes avec un débit maximum de 110 L/s. L’eau est injectée, en amont du canal, par un tuyau vertical avec l’extrémité tournée vers le bas. Le flux d’eau passe juste après dans une structure en nid d’abeille pour rectifier l’écoulement dans le sens du canal et pour casser les tourbillons latéraux et verticaux dus à l’injection.
Le canal inclinable a servi pour la thèse d’Emeline PERRET sur "l'étude de l'influence de la présence de sédiments fin sur la contrainte critique de mise en mouvement des sédiments grossiers".
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2. Le projet et le contexte du stage
2.1. Le contexte
Emeline PERRET, durant sa thèse, créait ses lits de sédiments manuellement pour mener à bien ses expériences. Ces expériences consistaient à étudier le transport sédimentaire de différents lits de sédiments :
• Un lit simple composé uniquement de gravier, qui sert de référence,
• Un lit composé de gravier avec des infiltrations de sédiments fins,
• Un lit composé de gravier avec des infiltrations de sable,
• Un lit composé de gravier avec des infiltrations de sédiments fins et de sable.
Or James Russel Cooper a présenté dans sa thèse, en 2006, nommée : « Spacially- induced Momentum Transfer over Water-worked Gravel Beds », qu’un lit de gravier s’organise de façon différente quand celui-ci est créé manuellement ou qu’il est été créé via le mouvement de l’eau. Le lit de sédiments créé par l’eau aurait un arrangement plus naturel, dont la structure n’est due qu’au mouvement de l’eau et à l’arrangement mécanique des sédiments entre eux. De plus le lit de sédiments serait plus proche d’un cas concret de développement d’un lit de rivière.
L’Irstea a donc fait l’acquisition d’une alimentation solide pour son canal inclinable afin de pouvoir créer ce type de lit de gravier pour ses futures recherches. Les résultats obtenus par ces manipulations pourraient apporter des résultats complémentaires à la thèse d’Emeline PERRET.
2.2. Les objectifs
Ce stage a pour objectif de caractériser le système d’alimentation solide sur plusieurs points :
● Lier le débit aux paramètres réglables,
● Vérifier les valeurs indiquées par l’automate sur les différents paramètres d’entrés,
● Optimiser les paramètres du système d’alimentation solide afin d’avoir un débit solide répétable et constant au cours du temps,
● Automatiser le contrôle à distance des automates (actionneurs et capteurs) du canal inclinable,
● Créer un lit de sédiments via l’alimentation solide afin de faire une expérience comparative à celles menées pendant la thèse d’Emeline PERRET.
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3. Alimentation solide
Le système d’alimentation solide a été conçu par la société TRA-C industrie, pour réaliser l’acheminement de sédiments dans le canal inclinable. Il est composé de deux parties majeures : La première partie est faite de la trémie principale ainsi que le convoyeur à vis ; et la seconde partie de la trémie secondaire ainsi que le convoyeur à bande. La première partie sert à stocker une grande quantité de sédiments (environs 1 m³) via la trémie principale et de maintenir un niveau de remplissage de la trémie secondaire grâce au convoyeur à vis. La trémie principale est équipée d’un système permettant de mouiller les sédiments pour éviter les poussières.
La seconde partie sert à disposer et distribuer une quantité précise de sédiments grâce au tapis (vitesse minimum théorique de 1 mm/min) et à la guillotine (réglage au millimètre). Le niveau de sédiments de la trémie secondaire est contrôlé par un capteur laser de distance.
Plusieurs paramètres sont contrôlés à l’aide d’un automate : la vitesse de la vis, la vitesse du convoyeur (tapis), les hauteurs minimum et maximum de la trémie secondaire. Il existe trois modes de contrôle : un mode maintenance qui permet de contrôler chaque paramètre indépendamment ; un mode programmation pour enregistrer des paramètres directement sur l’automate ; et un mode distant pour prendre le contrôle de l’automate à l’aide d’un programme LabVIEW.
Figure 4 : automate de l’alimentation solide
La guillotine et le racloir de la trémie secondaire se règlent manuellement via une vis qui règle la hauteur de ceux-ci.
Figure 5 : système de réglage de la guillotine
Figure 3 : schéma 3D de l’alimentation solide
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4. Tests sur les sédiments
Pour commencer l’étude, on effectue plusieurs tests préalables sur les sédiments afin de connaître les propriétés exactes de notre sédiment : test de masse volumique, test de porosité et granulométrie. Pour cela on effectue différentes expériences selon la propriété recherchée :
4.1. Masse volumique
Pour calculer la masse volumique on prépare une éprouvette graduée avec un volume et une masse connu d’eau. On y introduit un quartier quelconque de sédiment et on note la différence de masse et de volume. En faisant le rapport de la différence de masse sur la différence volume on peut en déduire la masse volumique. L’eau permet de ne prendre en compte que le volume des sédiments dans cette expérience, et pas celui des pores afin d’obtenir la masse volumique du matériau.
4.2. Porosité
Pour calculer la porosité on prépare un volume connu de sédiments dans une éprouvette graduée. On introduit un volume connu d’eau afin de remplir le volume des pores. Le volume d’eau doit être rempli lentement pour éviter que des bulles d’air se créent dans les sédiments qui perturberaient les résultats. On note le volume d’eau introduit. On fait ensuite le rapport entre le volume d’eau introduit, qui correspond au volume des pores, sur le volume total.
4.3. Granulométrie
On prépare un échantillon de sédiments que l’on pèse et qu’on place au sommet d’une colonne de tamis adaptés aux matériaux sur la machine dédiée (voir figure 7). On scelle le système et on lance les vibrations pendant au moins 5 min pour faire tomber les sédiments. On pèse, pour chaque tamis, la masse de sédiments récupérés et on fait le rapport entre la masse récupérée et la masse initiale de sédiments. Cela nous permet de déterminer le pourcentage de notre sédiment par classe entre deux tailles de maille de tamis. On récapitule le tout dans un tableau et on peut en déduire certaines informations comme le D501, D90, ...
Pour les graviers utilisés pour mes manipulations, j’utilise les tamis avec les tailles de maille suivante : 12,5mm ; 10mm ; 8mm ; 6,3mm ; 5mm ; 2mm et 1mm.
D501 : valeur de diamètre où 50% des sédiments ont un diamètre moyen inférieur
Figure 6 : photo d’un test pour trouver la masse volumique du gravier
Figure 7 : appareil pour la granulométrie
13 4.4. Résultat des tests initiaux sur le gravier
Suite aux expériences en laboratoire, j’ai pu caractériser l’échantillon initial de gravier :
• Masse volumique ρ = 2840 ± 150 g/L
• Porosité ϕ = 0,42 ± 0,01
• Granulométrie : D50 = 8mm
(Voir annexe C : tableau de résultats des tests sur les sédiments de base)
Figure 8 : pourcentage de sédiment avec un diamètre supérieur à x mm
La masse volumique et le D50 sont légèrement plus élevés que des valeurs normales mais restent tout à fait acceptable. La porosité est fidèle à la valeur normalisée. Les incertitudes sont faibles sauf pour la masse volumique qui est un peu élevée mais correcte.
0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 100,0
0,0 5,0 10,0 15,0 20,0
pourcentage de sédiments avec un diamètre supérieur à x mm
diamètre en mm
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5. Développement d’outils pour la calibration
5.1. Utilisation de LabVIEW
Comme l’alimentation solide est pilotée via un automate qui est relié à l’ordinateur du canal, on peut le piloter grâce à un programme LabVIEW. Il y a plusieurs paramètres qui peuvent être pilotés à distance via un programme LabVIEW :
• La vitesse du convoyeur à vis,
• La hauteur minimum de la trémie secondaire,
• La hauteur maximum de la trémie secondaire,
• La vitesse du tapis,
J’ai réalisé 3 programmes :
• Le premier permet de simplement de donner une consigne de vitesse pendant un temps donné avec une pause avant de se déclencher,
• Le second permet, à partir d’une vitesse initiale, de faire des paliers de vitesses croissantes durant un temps donné avec une pause entre chaque palier.
• Le dernier permet juste des commandes de base de pilotage, sans aucune commande automatisée, mise à part les automatismes de base.
Les deux premiers programmes m’ont servi pour les tests de débits solides et le troisième pour la manipulation finale.
Dans chaque programme, il y a un enregistrement des données de l’automate avec une référence pour la date et l’heure. Une valeur par seconde est enregistrée dans un fichier « .txt » (voir Annexe E : exemple d’enregistrement de données via les programme LabVIEW) Cela permet de garder une trace de ce qui s’est produit durant la manipulation et à n’importe quel instant.
Pour cela j’ai utilisé un constructeur de tableau qui crée un tableau à partir de valeurs numériques. L’acquisition des références de temps demande plusieurs blocs :
• Un premier qui donne un horodatage de l’heure actuelle de référence,
• Un second qui converti l’horodatage en un cluster de données qu’il faut régler pour avoir l’heure de fuseau horaire adapté,
• Un troisième qui désassemble le cluster en valeur numérique afin de récupérer les informations essentielles et de les introduire dans le tableau final.
Si un capteur est rajouté il pourra être inséré au tableau dans une colonne de données sur chaque VI de contrôle de l’automate. Afin de pouvoir piloter l’alimentation solide et d’utiliser les VI d’acquisition des capteurs du canal, un sous-VI de pilotage simple a été créé pour être intégrable aux autres VI d’acquisitions.
15 5.2. Modèle et tableau Excel
On peut déduire des paramètres de la trémie le débit massique. C’est cette variable qu’il faut connaître avec le plus de précision et qu’il faut qualifier en fonction des autres paramètres.
Pour cela on utilise les caractéristiques du tapis pour avoir le débit volumique (en m³/s), puis avec les propriétés du sédiment on obtient le débit solide (en g/s) :
𝑄𝑠 = 𝑣 ∗ 𝑆 ∗ 𝜌 ∗ (1 − 𝜙) Avec
• 𝑄𝑠 : débit solide en g/s,
• 𝑣 : la vitesse du tapis en mm/ min,
• 𝑆 : la section du tapis, en mm², qui correspond à la largeur du tapis multipliée par la hauteur qui peut être réglée selon l’expérience,
• 𝜌 : la masse volumique réelle du sédiment en kg/m³,
• 𝜙 : la porosité du sédiment, sans unité, qui correspond au volume des pores sur le volume total.
J’ai donc réalisé un tableau Excel qui rapporte une valeur théorique de débit en fonction de la vitesse du tapis, de la hauteur de la guillotine, de la largeur du tapis et de la nature du sédiment (masse volumique, porosité). Grâce à cela on a pu planifier les premiers tests avec du sable
Figure 9 : interface de calcul de la page de calcul Excel
(Version complet voir Annexes F : tableau complet de calcule pour le débit solide)
16
6. Qualification de l’alimentation solide
6.1. Méthode d’acquisitions pour mesurer un débit solide Pour mesure en temps réel le débit solide, nous
avons installé une balance Adam Warrior (WLK 150), précise à 10g. Elle transmet ses données via un câble en RS-232. Les acquisitions se font avec le PC du hall hydraulique et son adaptateur RS-232 ; La balance a été livrée avec un logiciel d’acquisition propre : ADAM DU. Il permet d’enregistrer une masse et une heure exacte à un instant donné. On étudie donc l’évolution de la masse au cours du temps sur la totalité de l'expérience. Cela permet d’avoir un débit moyen et instantané sur l’expérience grâce à un modèle linéaire. On peut ensuite étudier les différences entre le débit prédit par modèle et le débit obtenu expérimentalement pour voir les fluctuations de celui-ci. Cela m’a permis d’ajuster certains paramètres de ma feuille Excel pour que la théorie soit représentative de la pratique.
J’ai choisi pour mes expériences de faire varier la vitesse du tapis pour voir la variation du débit avec une hauteur de guillotine connue et fixée au préalable.
6.2. Premiers tests avec le sable et premiers résultats
Afin de me familiariser et d’initialiser le travail sur l’alimentation solide, j’ai commencé mes expériences avec un mélange de sable et de sédiments fins déjà présents à mon arrivé.
Après avoir discuté avec Céline BERNI, l’objectif initial était de d’obtenir un débit solide de l’ordre de 10 g/s.
Ces premières manipulations avec le système m’ont permis de trouver plusieurs paramètres à prendre en compte :
• La trémie secondaire ne déverse des sédiments que sur certaine largeur du tapis il faut donc compenser cette perte de largeur par une hauteur complémentaire au niveau de la trémie secondaire qui va remplir celui-ci au niveau de la guillotine avec un tas derrière celle-ci pour alimenter les côtés du tapis. Le tapis fait 80cm de large et il manque environ 6 cm de sable de chaque côté. Soit une perte de 15% qui doit être compensée en hauteur.
• La balance ne prend en compte une valeur que si celle-ci est stable : si la balance n’a pas une masse suffisamment stable elle ne va enregistrer aucune valeur. Donc plus on va avoir une valeur de débit importante moins la balance va enregistrer de valeur.
Figure 10 : poste d’acquisition du débit solide dans le canal inclinable avec la
balance connecté à l’ordinateur
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• En dessous d’une hauteur de 14mm, la guillotine plie la jupe du tapis et le sédiment vient se mettre sous la jupe. Il faut donc éviter de descendre en dessous de cette valeur.
Suite à plusieurs tests de débit simple, avec différents paramètres, j’ai réalisé trois expériences de 20 min où seule la vitesse du tapis change, la hauteur de la guillotine restant à 14mm. J’ai testé les vitesses suivantes : 29, 41 et 49mm/min. Les débits solides correspondant sont en théorie 7, 10 et 13 g/s.
On mesure les débit suivant : 6 g/s au lieu de 7 g/s ; 8 g/s au lieu de 10 g/s ; je retrouve bien mes 13 g/s prévus.
Après exploitation, je décide de tester pendant 1h pour un débit de 10g/s théorique afin de voir la stabilité au cours d’une longue durée sans recharger la trémie secondaire. J’obtiens les résultats suivant :
y = 6,2433x + 151,35 R² = 0,9957
y = 8,4653x - 1688,7 R² = 0,9979
y = 13,201x - 13155 R² = 0,9987
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
0 1000 2000 3000 4000
masse ne g
temps en s
caractéristique des débits g/s (h=14mm)
29 mm/min 41 mm/min 49 mm/min
Linéaire (29 mm/min) Linéaire (41 mm/min) Linéaire (49 mm/min) Figure 11 : photo de la jupe du tapis qui se déforme sous la guillotine
Figure 12 : test de séries avec trois vites ses différentes
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Figure 13 : mesure de débit solide avec du sable
Il semble que la courbe n’est pas linéaire. La trémie secondaire n’a pas été remplie au cours de la manipulation, on peut donc supposer que le remplissage de la trémie à une influence sur le débit solide. J’ai donc regardé les débits locaux sur des plages de 500 secondes afin d’affiner mes résultats :
Figure 14 : étude de l’évolution du débit solide sur des portions de 500 secondes y = 9,42x + 265
R² = 0,9983
0 2500 5000 7500 10000 12500 15000 17500 20000 22500 25000 27500 30000 32500 35000 37500
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
masse en g
temps en s
caractéristique avec h=14mm et v=41mm/min
y = 9,7x - 339 R² = 0,9973 y = 10,3x - 558
R² = 0,9998
y = 10,3x - 578 R² = 0,9985 y = 10,0x - 309
R² = 0,9962
y = 9,2x + 1216 R² = 0,9999 y = 8,6x + 2147
R² = 0,9972
y = 8,3x + 3685 R² = 0,9978 y = 7,9x + 514 R² = 0,998
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
masse en g
temps en s
étude des débits locaux sur 500s
19 Le débit, sur les 2000 premières secondes, est constant, de l’ordre de 10 g/s. Ensuite, de 2000s jusqu’à la fin, il est décroissant jusqu’à 8 g/s. Il semble donc que le remplissage influe sur le débit : plus le niveau est stable et haut dans la trémie secondaire, plus le débit est stable. Il faut donc que le niveau de la trémie reste relativement constant afin de conserver un débit solide stable.
6.3. Série initiale d’expériences avec le gravier
Dans un premier temps, j’ai réalisé la série de tests suivants : 5 acquisitions de 30 minutes avec une vitesse de tapis par acquisition, 25, 30, 35, 40 et 45 mm/s avec une pause entre chaque acquisition que l’on fait les uns à la suite des autres. La trémie secondaire est remplie au besoin avant chaque acquisition pour éviter les pertes de débit liées à ce paramètre.
Après trois répétitions de cette expérience on constate que le débit obtenu est loin de ce que l’on devrait obtenir en théorie.
Figure 15 : Graphique des résultats du débit solide en fonction de la vitesse du tapis avec une hauteur de guillotine de 21mm
Après ces résultats il semble logique de revoir le fonctionnement du système. J’ai donc réfléchi à ce qui pourrait perturber la mesure : est-ce que le débit précédant perturbe le suivant, est-ce que la vitesse donnée à l’automate est bien la vitesse réelle du tapis, …
J’ai donc cherché à vérifier la vitesse du tapis. Pour cela j’ai réalisé le protocole suivant : on demande à l’automate de faire avancer le tapis pendant un temps donné afin de faire avancer le tapis de 20 cm. Donc à chaque vitesse correspond un temps donné. J’ai choisi d’explorer des vitesses de 1 à 100 mm/min puis de 30 à 200 mm/min avec un pas de 10 mm/min et enfin de 100 à 200 mm/min avec un pas de 5mm/min pour correspondre au mieux aux vitesses des expériences.
6 7 8 9 10 11 12 13 14
25 30 35 40 45
débit solide en g/s
vitesse du tapis en mm/min
série de tests de caractérisation de l'alimentaion solide
théorie
serie 1 du 28/04 serie 2 du 03/05 serie 3 du 04/05
20 Figure 16 : caractéristique de la vites se du tapis à vide
Il semble que la vitesse du tapis avance par à-coups. Ce graphique permet de retrouver la valeur réelle de la vitesse pour une valeur demandée à l’automate. J’ai aussi testé la vitesse du tapis avec une charge de gravier importante (environs 250~300 kg) pour voir si la charge fait diminuer la vitesse du tapis (voir figure (17)) : les différences constatées sont plus dues à des erreurs de manipulation qu’à un défaut. J’en déduis donc que la charge du tapis n’influe pas sur sa vitesse. Donc la caractéristique de vitesse du tapis à vide donne aussi la vitesse avec une charge dessus.
0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 100,0 110,0 120,0 130,0 140,0 150,0 160,0 170,0 180,0 190,0 200,0 210,0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
vitesse mesurée
vitesse de consigne
vitesse réelle en fontion de la consigne(mm/min)
serie 1 serie 2 Série3
21 Figure 17 : caractéristique de la vitesse du tapis en charge et à vide
J’ai remarqué, durant mes tests de débit, un léger espace entre les graviers et la guillotine. J’ai alors fait des tests pour voir cette différence entre la hauteur que l’on règle sur la guillotine et la hauteur de sédiment que l’on récupère après la guillotine.
On perte environ 6 mm en moyenne en hauteur soit environ un D50. Il faut donc rajouter une D50 à la guillotine sur la valeur voulue pour obtenir la bonne valeur de hauteur de sédiment.
Figure 18 : mesure de hauteur des sédiments et différence avec la guillotine
6.3. Séries finales et couples de paramètres avec le gravier
Suite à des calculs ayant pour objectif de créer le lit Water-Worked, nous avons finalement cherché à obtenir un débit de 70 g/s plutôt que le débit de 10 g/s initialement exploré. En effet, réaliser un lit de sédiment avec un débit solide de 10 g/s nécessiterait environ 60 heures. Donc afin de réaliser un lit de sédiment en un délai raisonnable de 9 heures, il faut passer à un débit d’environ 70 g/s.
20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 100,0 110,0 120,0 130,0 140,0 150,0 160,0 170,0 180,0 190,0 200,0
30 50 70 90 110 130 150 170 190
vitesse mesurée
vitesse de consigne
test de l'effet d'une charge sur la vitesse du tapie (mm/min)
vitesse mesuré en charge (mm/min)
vitesse réel à vide (mm/min)
vitesse réglé en mm/min
22 J’ai donc fait quelques tests qui ont donné ses résultats :
Figure 19 : caractéristique avec une vites se de tapis de 70 mm/min et une hauteur de guillotine de 63 mm
On remarque un nombre de points moins important que précédemment. Au lieu d’avoir un point tous les 1 à 2 secondes avec des débits de l’ordre de 10 g/s, on passe sur des ordres d’un point toutes les 8 à 10 secondes avec des débits de l’ordre de 70 g/s. Cela est dû à la stabilité de la balance qui se fait plus difficilement. L’acquisition n’est pas pour autant mauvaise mais Nous ne pourrons pas étudier le débit instantané ave autant de finesse et juger notamment de sa stabilité..
J’ai ensuite fait des tests sur des couples vitesse/hauteur pour obtenir un débit de 70 g/s, afin d’obtenir un résultat le plus proche de ce que l’on souhaite :
Vitesse Th (mm/min)
Hauteur de sédiments en sortie de guillotine (mm)
Débit volumique (m³/s)
Débit mesuré (g/s)
Valeur attendue (g/s)
Différence (g/s)
156 3*D50= 21 4,10E-05 55,4 69,8 14,4
78 6*D50= 42 4,10E-05 60,7 69,8 9,0
52 9*d50= 63 4,10E-05 67,6 69,8 2,2
Figure 20 : résultat des tests de couple pour le débit de 70 g/s
Au final le débit, le plus proche des 70 g/s, est obtenu avec les paramètres suivants : Hauteur de sédiment 63 mm et vitesse de tapis à 52 mm/min pour un débit de 68 g/s.
y = 67 x + 192 R² = 0,999
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000
0 50 100 150 200 250 300
masse en g
temps en s
test de débit solide objectif 70 g/s
23 6.4. Influence de l’alimentation solide sur les sédiments
J’ai remarqué au fil des expériences que le gravier était modifié par le passage dans le système d’alimentation. Il semblait comme cassé. J’ai donc fait des tests sur les graviers avant et après le passage dans l’alimentation solide. J’ai commencé par comparer les sédiments qui sont passé dans la vis car cet élément est responsable de la plupart des modifications sur les sédiments.
Pour cela, j’ai récupéré des sédiments en sortie de la vis et dans la trémie principale afin de les étudier et de comparer leur granulométrie.
Figure 21 : influence de la vis sur le diamètre des sédiments
Au niveau du diamètre moyen on a une perte d’environ 1mm. De plus visuellement, les graviers sont plus anguleux. J’ai aussi refait des tests de porosité ainsi que de masse volumique : J’ai constaté une perte de masse volumique et une porosité constante :
• Masse volumique ρ= 2840±150 g/L 2540±40 g/L
• Porosité ϕ= 0,42±0,01 0,43±0,01
Ces résultats sont plutôt étonnants car la nature du sédiment n’a pas changé même si les premiers résultats sont élevés pour la masse volumique. Il est aussi possible que la seconde série d’échantillons soit plus concentrée en sable et qu’il y ait plus de bulles d’air qui perturbent la mesure de par la grande quantité de poussière présente. De plus, comme les graviers sont passés dans la vis, leur forme ayant été modifiée, ils ont pu prendre un arrangement différent.
Néanmoins, ses résultats ne sont pas absurdes pour autant.
0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 100,0
0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20,0
pourcentage de diamètre inférieur
dimètre en mm
comparaison de granulométrie : effet de la vis
avant après
24 Suite à une observation visuelle et à des réflexions avec Céline
BERNI, j’ai fait des tests sur la granulométrie sur la largeur du tapis car il semble qu’un tri s’effectue dans la trémie secondaire et donc aussi sur le tapis. J’ai donc pris trois échantillons à droite, au milieu et à gauche du tapis (voir figure 22) et j’ai fait une granulométrie des trois (figure 23).
Figure 23 : granulométrie des échatillons des différentes parties du tapis
Les sédiments sur la gauche du tapis sont plus grossiers. Pour le lit de sédiment que l’on crée, cela n’a pas trop d’importance. Néanmoins le fait que le système tri les sédiments n’est pas à négliger pour de futures expériences.
7. Application à des expériences de morpho-dynamiques
Afin de finaliser les tests sur l’alimentation solide, on a réalisé un lit de sédiment avec celui-ci.
L’objectif est de pouvoir refaire une des manipulations qui a été faite pour la thèse d’Emeline PERRET et de comparer les résultats. On regarde aussi la topographie du lit pour valider l’utilisation de l’alimentation solide.
0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 100,0
0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20,0
pourcentage avec un diamètre suppèrieur
diamètre en mm
granulométrie sur la largeur du tapis (tri)
droite (1) milieu (2) gauche (3)
Figure 22 : échantillons pour la granulométrie du tri du tapi s
25 Avant cela des calculs préliminaires ont été réalisés pour prévoir les quantités de sédiment nécessaire, le temps pour créer le lit, les débits liquide et solide. Il nous faut donc environ 3 tonnes de sédiment déposés en 9h avec un débit solide de 70 g/s et un débit liquide de 45 L/s.
La pente du canal est réglée à 1,8%. On a réalisé le lit sur deux jours avec un suivi en continue : ligne d’eau, photos du lit depuis 5 points d’observation fixes, GoPro installée en aval du canal qui prend des photos toutes les 5min.
Au milieu de la manipulation une première pause a été effectuée et un premier scan de la topographie :
Figure 24 : premier scan topographie du lit WW2
Il y a eu un bon dépôt sur la partie aval du canal aussi que partiellement sur la partie centrale.
Sur la droite et au milieu du canal, des zones ne se sont pas remplies du tout entre 7 et 12 m.
De plus il manque une petite bande de gravier sur la gauche du canal entre 12 et 16 m. il y a plusieurs interprétations possibles. Le lit se comportant comme une rivière naturelle, il a tendance à serpenter et donc des zones se chargent plus en sédiment. (Annexe G : photo du canal à pause intermédiaire)
Quelques jours plus tard, on a relancé la manipulation pour continuer le dépôt. Un fois un dépôt homogène de l’ordre de 10 cm obtenu sur l’ensemble du canal, nous avons arrêté l’alimentation solide puis liquide et un second scan de la topographie du lit a été effectué :
Figure 25 : second scan topographie du lit WW²
Le lit de sédiment s’est bien formé même s’il y a des zones moins remplies que d’autres. On remarque que sur la gauche du canal en amont, on a un dépôt plus important. Il est possible que ce soit dû à granulométrie plus importante des graviers sur la partie gauche du canal. Nous avons pu utiliser ce lit de gravier pour faire une expérience de transport sédimentaire. Ce lit a pu être déposé en un temps raisonnable, comme souhaité. Par contre celui-ci s’est développé de manière non-homogène en hauteur ; ce qui est logique car, comme les cours d’eau naturel, il est normal de voir de zones où les sédiments s’accumulent. Du point de vue de l’alimentation solide, la trémie secondaire était emplie toutes les 14 min par le convoyeur à vis. Il y a eu un blocage de la vis le deuxième jour de la manipulation au bout de 2h 15min qui a pu être relancé deux minutes après.
WW² : Water-Worked
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Conclusion
En conclusion, la caractérisation du système de distribution de sédiments avec les graviers a permis la création d’un lit Water Worked. Chaque part de l’étude, a apporté sont lots de données qui a fait avancer le projet. Toutes les données peuvent être réutilisées dans de futures expériences.
Les tests préliminaires m’ont permis de me familiariser avec le système et de pouvoir étudier par la suite son impact sur les graviers. Le matériel utilisé n’est pas particulier sauf pour la colonne de granulométrie.
Les premiers tests de débit solide, avec le sable, ont permis de bien m’initier avec l’alimentation solide, ainsi que pour l’acquisition des données via la balance et le logiciel. Ils ont permis d’anticiper un certain nombre de procédures pour les manipulations avec le gravier et de définir des protocoles d’expérimentation. Les tests suivants, avec le gravier, ont mis en évidence un élément très important au sujet de l’alimentation solide : la non-linéarité de la vitesse du tapis.
Il a aussi fait émerger un certain nombre de petits défauts qui ont permis de mieux comprendre les différences entre les calculs théoriques et les résultats physiques.
Le changement de débit de 10 à 70 g/s a aussi apporté de nombreuses informations, sur le système d’acquisition notamment. Les capacités de la balance, en particulier pour la stabilité pour faire une acquisition, ont ralenti la vitesse d’avancement du stage même s’ils sont corrigés depuis.
La programmation LabVIEW est suffisante et exploitable par la suite, selon les expériences qui utilisent l’alimentation solide. Le suivi continu apporte de précieuses données pour les recherches. Si un capteur de vitesse pour le tapis est ajouté, ce qui est fortement suggéré, les données seront facilement intégrables au fichier d’acquisition.
Il serait intéressant d’étudier comment réduire l’impact de la vis sur les graviers en réduisant la vitesse tout en gardant un débit de sortie suffisant. Par ailleurs, on aurait pu étudier la fluidité du débit solide selon les paramètres de réglage. Pour cela il faudrait une autre balance.
Ce stage m’a beaucoup apporté, que ce soit au niveau professionnel que relationnel. Le stage que j’ai fait m’a donné la chance de découvrir beaucoup de domaines scientifiques très intéressants, j’ai eu la chance de pouvoir échanger avec des personnes qui travaillent dans ses domaines. Comme tout travail scientifique, il y a eu des résultats tout à fait étonnants qui ont apporté des réflexions intéressantes et constructives. Malgré des aléas, le projet a toujours avancé dans la bonne direction.
Il m’a apporté de meilleure méthode de travail quant à la réalisation de ce type de projet. J’ai eu une chance unique de travailler avec et pour un objectif final. Ce stage est pour moi une excellente conclusion pour la fin du DUT Mesure Physique.
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Annexes
Annexe A : plan du hall hydraulique d’Irstea
Annexe B : photo et schéma 3D du canal inclinable
28
Annexe C : tableau de résultats des tests sur les sédiments de base
29
Annexe D : exemple de programmes LabVIEW
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Annexe E : exemple d’enregistrement de données de via les programmes LabVIEW
% vis H trem H max H mini V j m h min s
100 645 500 300 0 6 13 16 50 42
100 645 500 300 0 6 13 16 50 43
100 645 500 300 0 6 13 16 50 44
100 645 500 300 0 6 13 16 50 45
100 645 500 300 0 6 13 16 50 46
100 645 500 300 0 6 13 16 50 53
100 645 500 300 0 6 13 16 50 54
100 645 500 300 200 6 13 16 50 55
100 645 500 300 200 6 13 16 50 56
100 644 500 300 200 6 13 16 50 57
100 644 500 300 200 6 13 16 50 58
100 644 500 300 200 6 13 16 50 59
100 645 500 300 200 6 13 16 51 0
100 644 500 300 200 6 13 16 51 1
100 645 500 300 200 6 13 16 51 2
100 645 500 300 200 6 13 16 51 3
100 645 500 300 200 6 13 16 51 4
100 645 500 300 200 6 13 16 51 5
100 644 500 300 200 6 13 16 51 6
100 645 500 300 200 6 13 16 51 7
100 645 500 300 200 6 13 16 51 8
100 645 500 300 200 6 13 16 51 9
100 645 500 300 200 6 13 16 51 10
100 644 500 300 200 6 13 16 51 11
100 645 500 300 200 6 13 16 51 12
100 644 500 300 200 6 13 16 51 13
100 645 500 300 200 6 13 16 51 14
100 644 500 300 200 6 13 16 51 15
100 644 500 300 200 6 13 16 51 16
100 644 500 300 200 6 13 16 51 17
100 644 500 300 200 6 13 16 51 18
% vis : vitesse du convoyeur à vis
H trem : hauteur dans la trémie secondaire H max : hauteur maximum de remplissage
H mini : hauteur minimum pour déclencher le remplissage V : vitesse du tapis en mm/min
J : jours // m : mois // h : heure // min : minute // s : seconde
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Annexe F : tableau complet de calcule pour le débit solide
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