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La soufflerie diphasique : un outil d’étude et de modélisation du transport éolien de particules

Utilisée dès les années trente pour reproduire sur des maquettes la formation de congères, les souffleries, qui reproduisent des tempêtes de neige en modèles réduits ont montré leur limite en tant qu’outil de modélisation. Néanmoins, elles restent indispensables pour étudier de façon fine les processus d’érosion, de transport et de dépôts, qui seront modélisés sous forme d’équations mathématiques.

Objectifs scientifiques

L’un des outils de modélisation du transport de neige par le vent le plus ancien est la modélisation physique : elle consiste à reproduire sur une maquette un épisode de transport de neige par le vent [1] par l’intermédiaire de critères de similitude déterminés à partir de l’examen des équations de bilan écrites sous forme adimensionnelle [2]. Tous les critères ne peuvent être respectés simultanément. Il n’est par exemple pas possible d’estimer la durée de la tempête, d’étudier la formation de corniches et de congères sur des pentes raides (la soufflerie n’est pas climatique, c’est-à-dire que les particules utilisées pour reproduire de la neige sont des particules sèches). Par ailleurs l’échelle de la maquette ne peut être inférieure à 1/100 car les trajectoires de saltation ne sont pas à l’échelle géométrique.

Mais la soufflerie diphasique n’est pas qu’un simple outil de modélisation physique : elle permet d’étudier tous les processus physiques en lien avec le transport éolien de particules (avancée des dunes, de ripples [3], profils de concentrations, instabilités [4],…), de tester différentes méthodes de mesures (anémomètres et capteurs acoustiques de transport éolien [5]) mises en œuvre sur le terrain et de valider les modélisations numériques de transport éolien.

Dispositif expérimental

La soufflerie a été conçue de façon à permettre le transport de particules. En circuit fermé et d’une longueur totale de 13 m, elle dispose d’une veine d’étude de 4,5 m de long pour une section de 1 m sur 0,5 m. Sa vitesse maximale est de 17 m/s. Une grille de turbulence et un « déclencheur » de couche limite placé en début de veine permettent d’obtenir une couche limite d’environ 20 cm. Les particules sèches sont soit déposées de façon uniforme dans la zone d’alimentation et reprises par le flux d’air, soit injectées par le haut en début de veine. Les particules qui ne sont pas déposées sur la maquette sont stoppées par des filtres dans la partie supérieure de la soufflerie, lorsque la gravité n’a pas été suffisante pour engendrer leur dépôt dans le divergent. Les profils de vitesse de vent peuvent être déterminés à partir d'un micro moulinet, d'un tube de pitot ou d'un film chaud 1D ou 2D. Les hauteurs des dépôts sont mesurées par une diode laser placée sur un chariot de mesures. L’estimation des quantités et des vitesses de particules transportées s’effectue par traitement d’images. La chaîne d’acquisition est constituée de deux modules. Le premier est un dispositif optique qui permet de visualiser les particules, par la création d’un plan laser au bout d’une fibre optique. Le second module est un système de prises de vues et de traitement d’images (W_IMA) développé à l’Université de Saint-Étienne (Laboratoire Hubert Curien – Groupe Image Processing) permettant de déterminer les profils de concentration de particules mais aussi les vitesses des particules.

La caméra utilisée est une caméra rapide permettant une acquisition de 660 images/seconde pour une résolution de 1280*1024. En fonction des contraintes expérimentales nous pouvons également être amenés à réaliser des expériences dans d’autres souffleries présentant des configurations différentes tels la soufflerie Jules Verne du CSTB [6] ou encore le Cryospheric Environment Simulator du NIED (Japon) [7] .

Collaborations

  • Laboratoire Hubert Curien, Université Jean Monet
  • IUSTI, Marseille
  • ESPCI, Paris
  • CSTB Nantes
  • NIED National Research Institute for Earth Science and Disaster Preventio

Publications

[1] Jaedicke, C., Naaim-Bouvet, F., Granig,M., - 2004. Wind-tunnel study of snowdrift around avalanche defence structures.  Annals of Glaciology, vol. 38, p. 325-330.

[2] Naaim-Bouvet, F., 2003, Approche macro-structurelle des écoulements biphasiques turbulents de neige et de leur interaction avec des obstacles, Habilitation à Diriger les Recherches de l’Université Joseph Fourier, 152 p.

[3] Andreotti, B., Claudin, P., Pouliquen, O. - 2006. Aeolian Sand Ripples: Experimental study of fully developed states, Physical Review Letters, 96, 4 p, 2006

[4] Cierco, F.X., Naaim, M., Naaim-Bouvet, F. - 2008. Experimental study of particle concentration fluctuations in a turbulent steady flow. Annals of Glaciology, vol. 49, p. 121 - 1266 p.

[5] Cierco, F-X., Naaim-Bouvet, F., Bellot, H. – 2007. Acoustic Sensors for snowdrift measurements: What use for research purposes?, Cold regions Science and Technology, 49(1), 74-87.

[6] Naaim-Bouvet, F., Naaim, M., Michaux, J.L. - 2002. Snow fences on slopes at high wind speed: physical modelling in the CSTB cold wind tunnel. Natural hazards and earth system sciences, vol. 2, n° 200, p. 137 – 145.

[7] Michaux, J.L., Naaim-Bouvet, F., Naaim, M., Lehning, M., Guyomarc’h, G. - 2002. Effect of unsteady wind on drifting snow: first investigations. Natural hazards and earth system sciences, vol. 2, n° 200, p. 129 – 136.

[8] Michaux, J.L., Naaim-Bouvet, F., Kosugi, K., Sato, A., Sato, T. - 2002. Étude en soufflerie climatique (Cryospheric Environment Simulator) de l'influence du type de grain de neige et du régime d'écoulement sur la formation d'une congère. Houille blanche, n° 6-7, p. 79 – 83.

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