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Analyse locale des modes d’érosion de sédiments cohésifs soumis à un écoulement turbulent

ABG-82303 Sujet de Thèse
11/01/2019 < 25 K€ brut annuel
Insitut Pprime
Poitiers - Nouvelle Aquitaine - France
Analyse locale des modes d’érosion de sédiments cohésifs soumis à un écoulement turbulent
  • Sciences de l’ingénieur
Mécanique des fluides, Rhéologie, Erosion, hydrodynamique, Sédiments cohésifs, Métrologie optique

Description

Contexte :

Les sédiments cohésifs sont présents dans la plupart des milieux fluviaux et marins. Ils jouent un rôle prépondérant dans le fonctionnement de ces écosystèmes. Leur érosion, au-delà de répercussions sur la morphologie du milieu (érosion au fond du lit, des berges), impacte fortement les habitats des communautés benthiques et peut conduire à une très forte augmentation de la turbidité et au relargage de pollution. Les problématiques liées à leur caractérisation et à l’analyse de leur transport sont ainsi un enjeu primordial, en particulier pour préserver les milieux côtiers et fluviaux.

Dans ce contexte, le travail de thèse portera sur une étude en laboratoire des liens entre les propriétés rhéologiques des sédiments cohésifs et leur érosion en présence d’un écoulement turbulent. Les sédiments cohésifs présentant des propriétés rhéologiques complexes (rhéo-fluidifiants,  contrainte seuil, thixotropie), l’interaction entre ces sédiments et un écoulement va donc dépendre à la fois des caractéristiques rhéologiques du matériau ainsi que des propriétés de l’écoulement.

Au cours de cette thèse, nous proposons une étude en laboratoire afin d’analyser le processus d’érosion. Cette étude se basera sur la mise en place de sédiments modèles et sur l’étude de leur interaction avec un écoulement à partir de mesures non intrusives (optiques). Cela devra conduire à une analyse locale visant à relier les propriétés rhéologiques du sédiment aux contraintes hydrodynamiques dans le processus d’érosion.

 

Travail proposé :

Dans une première phase, des sédiments modèles transparents à base de matériaux viscoplastiques (ex : laponite) seront réalisés et analysés. Des travaux précédents ont permis de modéliser certaines propriétés rhéologiques de ces matériaux pour différentes concentrations de suspension, notamment la contrainte seuil. Au cours des travaux proposés, une étude supplémentaire des propriétés rhéologiques des sédiments modèles basée sur des mesures de rhéométrie dynamique (en oscillation) sera réalisée. Les propriétés de ces sédiments modèles pourront être modifiées en jouant sur la concentration et la densité en suspension. Les résultats issus de cette première phase seront par la suite mis en lien avec la dynamique du lit sédimentaire sous sollicitations hydrodynamiques. 

Dans une seconde phase, l’écoulement hydrodynamique généré dans un canal hydro-sédimentaire sera qualifié. Des moyens de mesure optique telle que la PIV seront utilisés pour l’étude de l’écoulement généré. Une attention particulière sera portée sur les caractéristiques de la couche limite générant les contraintes de frottement sur le fond. Ces caractéristiques (hauteur, contrainte de cisaillement moyenne, instationnarités) pourront être modifiées par différents dispositifs comme l’introduction de rugosités au sein du canal.

Enfin, ces écoulements seront appliqués sur un lit de sédiments modèles dans le but de relier les propriétés rhéologiques du sédiment aux contraintes hydrodynamiques au cours du processus d’érosion. Ainsi, pour des conditions hydrodynamiques données, les propriétés des sédiments cohésifs seront modifiées en se basant sur la première phase du projet. De même, pour un sédiment donné, les conditions hydrodynamiques pourront être modifiées. Des mesures de concentration par LIF permettront tout d’abord d’identifier les différents modes d’érosion (entraînement, arrachement..) en fonction des caractéristiques de l’écoulement.  Des mesures couplées (PIV/LIF) devraient ensuite permettre de proposer une analyse locale du phénomène d’érosion (gradients de vitesse locaux, gradient de pression,  concentration locale en sédiment). Des mesures de la surface du lit sédimentaire à partir de méthodes optiques pourront également être proposées pour comprendre la dynamique de la déformation du lit en fonction des propriétés rhéologiques des sédiments et des caractéristiques de l’écoulement.

 

Nature du financement

Contrat doctoral

Précisions sur le financement

Présentation établissement et labo d'accueil

Insitut Pprime

L’institut P’ est un laboratoire de recherche des domaines des Sciences Physiques et des Sciences de l’Ingénierie. C’est une UPR CNRS conventionnée avec l’Université de Poitiers (Faculté des Sciences Fondamentales et Appliquées, Faculté des Sciences du Sport et École Nationale Supérieure d’Ingénieurs de Poitiers, ENSIP) et l’École Nationale Supérieure de Mécanique et d’Aérotechnique, ISAE-ENSMA.

L'axe HydÉE a pour objectif l'étude des écoulements hydrodynamiques et leurs applications aux problèmes environnementaux. Il se compose de trois thèmes forts qui sont associés dans la colonne d’eau : la rhéologie des fluides, le transport de sédiment ou de polluant et enfin l’hydrodynamique des écoulements. Un exemple transverse de ces trois thèmes abordé dans l’équipe est l’étude du mascaret.

Intitulé du doctorat

Doctorat en Mécanique des fluides

Pays d'obtention du doctorat

France

Etablissement délivrant le doctorat

Université de Poitiers

Ecole doctorale

École Doctorale SIMMEA

Profil du candidat

Le (la) candidat(e) devra de préférence avoir des connaissances dans le domaine de la mécanique des fluides et des notions en rhéométrie seraient appréciées. De plus, compte tenu du caractère expérimental de cette thèse une forte motivation pour les mesures est recommandée.

Date limite de candidature

28/02/2019
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