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Le bassin noyé : ou comment modéliser les avalanches de neige poudreuse

Les études des avalanches poudreuses in situ sont difficiles et dangereuses et les expériences ne sont pas reproductibles. Les chercheurs se sont donc orientés vers la modélisation physique sur modèles réduits.

Le moteur de l’écoulement des avalanches poudreuses est le résultat de l’action de la gravité sur la différence de densité qui existe entre l’avalanche aérosol (fluide lourd) et l’air ambiant (fluide léger). Dans la simulation physique, le fluide lourd est modélisé par de l’eau salée et le fluide léger par de l’eau. Cette approche a été entreprise par Irstea dès le début des années 80 en collaboration avec l’Institut de Mécanique de Grenoble.

Objectifs scientifiques

Pour appliquer les résultats de la simulation physique aux avalanches réelles, il a fallu établir, à partir des lois de conservation de la mécanique des fluides, trois critères de similitude :

  • le premier critère est le rapport de la force d’inertie à la force visqueuse appelé similitude de Reynolds. Il agit comme un seuil qu’il faut dépasser pour assurer un écoulement turbulent pleinement développé ;
  • le second critère de similitude, appelé nombre de Froude, est le rapport de la force d’inertie à la force de gravité ;
  • et le dernier est le rapport des densités qui ne peut être respecté car il conduirait à des dimensions de bassin trop importantes ; ainsi, le rapport des densités (densité du fluide lourd / densité du fluide léger) en laboratoire est de 1.2 alors qu'il est de 4 à10 au sein des avalanches.

Tous les critères de similitude ne peuvent donc être respectés et les expériences menées conduisent à des taux de croissance d’avalanche trop importants. Néanmoins, ces expériences permettent une meilleure connaissance des processus physiques en jeu et un premier calage des modèles numériques développés.

Les recherches actuelles utilisant le bassin noyé ont pour objectif de comprendre la dynamique de la phase d’écoulement des avalanches poudreuses et de la reprise des particules [1], [2], [3] ainsi que l’interaction avec des dispositifs de protection [4], [5], [6], [7].

Dispositif expérimental

Le bassin noyé, d’une hauteur de 2 m pour une surface au sol de 10 m², est équipé d’un plan incliné (angle d’inclinaison variable) pour une étude tridimensionnelle ou d’un canal (angle d’inclinaison variable) pour une étude bidimensionnelle. Un réservoir muni d’une vanne à guillotine permet d’injecter le fluide lourd dans l’eau.
Un vélocimètre acoustique (Vectrino) permet d’investiguer la vitesse tri-dimensionnelle ainsi que la densité de l’eau salée à l’intérieur de l’écoulement. Des caméras couplées à un traitement d’image permettent de déterminer la vitesse du front. Par ailleurs les hauteurs des dépôts sont mesurées par traitement d’images à partir des déformées des lignes à l’intersection du dépôt et d’un plan laser.

Programme en cours

Les campagnes de mesure sont actuellement organisées dans le cadre du projet de recherche INTERREG ALCOTRA DYNAVAL (également soutenu par l’ANR et le Ministère de l’Écologie).

Collaborations

Institut National Polytechnique de Grenoble (LEGI)
Universität fur Bodenkultur (Institute of Forest and Mountain Risk Engineering)
AVL List GmbH, Graz, Austria

Publications

[1] Clement-Rastello, M., 2002, Étude de la dynamique des avalanches aérosol, Thèse de l’Université Joseph Fourier, 173 p.

[2] Rastello, M., Hopfinger, E. - 2004. Sediment-entraining suspension clouds: a model of powder-snow avalanches . Journal of fluid mechanics, vol. 509, p. 181 - 206

[3] Brossard D., 2010, Étude expérimentale de l’interaction entre un écoulement de gravité et son lit d’écoulement, Thèse de l’université de Grenoble, 140 p.

[4] Naaim-Bouvet, F., Pain, S., Naaim, M., Faug, T. - 2003. Numerical and physical modelling of the effect of a dam on powder avalanche motion: comparison with previous approaches. Surveys in geophysics, vol. 24, p. 479 - 498

[5] Naaim-Bouvet, F., Naaim, M., Faug, T. - 2004. Dense and powder avalanches : momentum reduction generated by a dam. Annals of Glaciology, vol. 38, 373-378.

[6] Primus, M., Naaim-Bouvet, F., Naaim, M., Faug, T. - 2004. Physical modeling of the interaction between mounds or deflecting dams and powder snow avalanches. Cold region science and technology, vol. 39, p. 257 - 267

[7] Sampl, P., Naaim-Bouvet, F., Naaim, M. - 2004. Interaction between dams and powder avalanches: determination of simple friction laws for shallow water avalanche models. Cold region science and technology, vol. 39, p. 115 - 131

Contact

Florence Naaim (HDR)
Tél : +33 4 76 76 27 09  - Fax : 04 76 51 38 03
2 rue de la papeterie BP 76 38402 Saint Martin d'Hères Cedex
florence.naaim@irstea.fr
Spécialités : Mécanique des fluides, écoulements biphasiques