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Canal à fond mobile : un tapis roulant pour l’étude des laves torrentielles

Malgré les avancées notables réalisées au cours des 20 dernières années sur la rhéologie des laves torrentielles boueuses, la modélisation de ces écoulements se heurte toujours à un certain nombre de verrous. Ainsi le rôle du front granulaire généralement observé en tête des coulées durant la phase de propagation est-il encore très mal compris.

Plus généralement, les propriétés hydrauliques de ces coulées et l’influence de l’hétérogénéité du matériau constitutif restent relativement mal cernées.

Objectifs scientifiques

Le canal à fond mobile est un dispositif expérimental permettant d’étudier finement les processus dynamiques actifs à l’intérieur et au front de coulées gravitaires. Il s’agit d’un canal incliné dont le fond est constitué par un tapis roulant « remontant la pente ». Ce tapis assure une recirculation permanente du fluide et permet ainsi d’obtenir des coulées qui sont stationnaires dans le référentiel du laboratoire.

Ce dispositif expérimental vise à étudier :

  • les caractéristiques hydrauliques de coulées gravitaires de fluides complexes (fluides à seuil notamment), en particulier dans la zone du front.
  •  les mécanismes de ségrégation aboutissant à la formation d’un front granulaire à l’avant des coulées.
  • l’effet du front granulaire sur les propriétés hydrauliques des coulées.
  • l’origine du caractère transitoire des laves torrentielles, c'est-à-dire de la propagation fréquente de plusieurs bouffées apparemment indépendantes les unes des autres au cours d’un même évènement. On cherche à savoir si ce comportement peut être expliqué par des phénomènes dynamiques internes à l’écoulement liés à des instabilités hydrauliques ou à l’existence du front.

Toutes ces questions présentent un intérêt majeur tant en termes de recherche fondamentale que d’applications pour l’ingénierie. À terme, l’objectif est de pouvoir affiner les codes de simulation de laves torrentielles développés au sein du TR.

Dispositif expérimental

Le canal mesure 3 m de long. Sa largeur est réglable dans la gamme 0-0.5 m pour permettre l’étude des effets de bord. La pente également est réglable, dans la gamme 0-30°. Le fond est constitué par un tapis roulant en PVC dont la vitesse est contrôlée dans la plage 0.1 – 1.5 m/s. Le canal est fermé à l’amont par un mur rigide qui force la recirculation du fluide. À terme, d’autres types de conditions amont seront testés. La charge maximale admissible par le dispositif est de 70 kg.

Ce dispositif est utilisé avec des matériaux modèles (mélanges grains – fluide viscoplastique) permettant de simuler le matériau constitutif des laves torrentielles. Le matériau utilisé pour modéliser la matrice viscoplastique est un gel de polymère (Carbopol) dont les propriétés rhéologiques sont identiques à celles des dispersions argileuses (fluide à seuil de type Herschel-Bulkley). Par rapport à ces dernières, ce gel présente l’avantage d’être transparent, ce qui permet de visualiser l’intérieur des écoulements. Il est en outre relativement facile à mettre en œuvre au laboratoire.

Les expériences sont instrumentées grâce à des capteurs de hauteur, ainsi que par la mise en œuvre de techniques d’imagerie et de traitement d’image permettant de remonter à la forme des coulées et au champ de vitesse.

Collaborations

Laboratoire de rhéologie de Grenoble

Publications

G. Chambon, A. Ghemmour, D. Laigle. A conveyor belt setup for studying gravitary free–surface flows of complex fluids, Proceedings of the XVth International Congress on Rheology, Monterey USA, 2008.

A. Ghemmour, G. Chambon, M. Naaim. Gravitary free surface flows used as a rheometrical tool: the case of viscoplastic fluids, Proceedings of the XVth International Congress on Rheology, Monterey USA, 2008.

G. Chambon, A. Ghemmour, D. Laigle. – 2009. Gravity-driven surges of a viscoplastic fluid: An experimental study. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, 158 (1-3), p. 54-62.

Contact

Dr. Guillaume Chambon
Tél : +33 4 76 76 27 66 - Fax : 04 76 51 38 03
2 rue de la papeterie BP 76 38402 Saint Martin d'Hères Cedex
guillaume.chambon@irstea.fr
Spécialités : Mécanique des fluides, rhéologie, physique des fluides complexes