Reflets de la Physique n°62 jun à sep 2019
Reflets de la Physique n°62 jun à sep 2019
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°62 de jun à sep 2019

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 60

  • Taille du fichier PDF : 5,2 Mo

  • Dans ce numéro : dossier, le nouveau système international d'unités.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

Dans ce numéro...
< Pages précédentes
Pages : 32 - 33  |  Aller à la page   OK
Pages suivantes >
32 33
De par le vaste champ d’applications qu’elle offre, l’étude des écoulements granulaires a connu une expansion considérable au cours de ces vingt dernières années, autant du point de vue industriel que géophysique. Ces écoulements granulaires ont une grande influence dans le monde qui nous entoure. Or, différentes instabilités hydrodynamiques peuvent naitre en leur sein, entrainant alors des changements importants des propriétés mêmes de l’écoulement. Les instabilités dues à la ségrégation par taille de particules, le développement d’ondes de surface ou encore l’apparition de ressauts dans l’écoulement en sont des exemples marquants. 32 Reflets de la Physique n°62 Les instabilités hydrodynamiques dans les écoulements granulaires géophysiques Sylvain Viroulet (1) (sylvain.viroulet@imft.fr), JamesL. Baker (2), Andrew N. Edwards (3) et J.M.N.T. Gray (3) (1) Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse, 2 allée du Professeur Camille Soula, 31400 Toulouse (2) School of Civil Engineering, The University of Sydney, NSW 2006, Australie (3) School of Mathematics and Manchester Centre for Nonlinear Dynamics, The University of Manchester, M13 9PL, Manchester, UK Le milieu granulaire Un milieu granulaire peut être vu comme un ensemble de grains de tailles et formes différentes. Par souci de simplicité, nous considèrerons ici uniquement des grains dont les tailles sont supérieures à 100 microns. En effet, pour des particules plus petites, les propriétés rhéologiques changent et on parle plus communément de poudres, voire de colloïdes pour des tailles inférieures au micron (voir Andreotti et al. [1] pour une présentation complète). L’une des grandes particularités d’un milieu granulaire est qu’il peut exister sous plusieurs états en même temps au sein d’un écoulement. En effet, on parle d’état solide pour un tas de grains au repos, d’état gazeux lorsque les grains sont très agités et dilués et, entre ces deux cas extrêmes, se trouve l’état dit liquide décrivant des écoulements denses où les grains interagissent par collision et friction. C’est à cet état liquide que va être consacré cet article. En effet, apparenter un écoulement granulaire à un liquide va permettre de se rapprocher des études plus classiques de la mécanique des fluides et, en particulier, de celles portant sur les instabilités qui peuvent apparaitre dans les écoulements à surface libre. Les instabilités hydrodynamiques dans les écoulements granulaires Les instabilités hydrodynamiques représentent un sujet varié et complexe de la mécanique des fluides, étant à l’origine d’un grand nombre de phénomènes se développant aussi bien à l’échelle planétaire que cellulaire. Ainsi, essayer de prédire leur formation et leur évolution a mobilisé l’attention de nombreux scientifiques depuis près de deux siècles. La majorité des instabilités hydrodynamiques peut être observée tous les jours et, si leur influence sur notre quotidien n’est pas toujours perceptible, elles peuvent néanmoins considérablement modifier le comportement des écoulements granulaires géophysiques. Parmi elles, l’instabilité de « digitation », responsable de la formation de dépôts granulaires en forme de doigts est l’une des plus caractéristiques. Elle apparait lorsque des grains de tailles et de propriétés différentes sont présents dans un écoulement. Ceci est particulièrement le cas dans des écoulements géophysiques, où la taille des particules peut varier de plusieurs ordres de grandeur. Au cours de l’écoulement, les particules fines auront tendance à se
a déplacer vers le fond en tombant dans les interstices entre les gros grains, tandis que les plus grosses vont migrer vers la surface. Ce phénomène est appelé « tamisage cinétique ». En raison de la friction au sol, les particules situées à la surface vont se déplacer plus vite que celles au fond. Ce cisaillement de vitesse, couplé au tamisage cinétique, va donner lieu à une accumulation des plus grosses particules au front de l’écoulement. Ce dernier, déstabilisé par les imperfections du sol, ne se propage pas de manière rectiligne dans sa direction transverse. Les grosses particules à la surface vont s’accumuler dans les creux de la déformation du front. Ayant des propriétés frictionnelles plus importantes que celles situées au fond de l’écoulement, ces particules vont ralentir la progression des creux et accentuer la déformation du front, formant ainsi des dépôts en forme de doigts  : c’est l’instabilité de digitation. Celle-ci est illustrée sur la figure 1a, où l’on peut observer les formes caractéristiques des dépôts après l’éruption du mont Saint Helens aux USA en 1980. On remarque de longues et fines coulées en forme de doigts, avec des digues sur les côtés. Une expérience de laboratoire est également présentée (fig. 1b), où un mélange granulaire de fines billes de verre sphériques et de particules de sable plus grosses s’écoule le long d’un plan incliné. La déstabilisation du front au cours de l’écoulement est clairement visible et l’on constate que les grosses particules (marron) sont localisées dans les creux du front et sur les bords des « doigts ». Ce phénomène d’auto-endiguement des écoulements granulaires a une grande importance dans la prévention des risques. En effet, la formation de digues statiques parallèles à la direction de l’écoulement, principalement constituées de grosses particules, va contraindre l’écoulement en l’empêchant de s’étaler dans la direction transverse à celle de propagation, augmentant ainsi considérablement la distance sur laquelle il s’étend. Une autre instabilité, semblable à celle se développant à la surface d’un film liquide sur un plan incliné, peut également exister dans les milieux granulaires. Les modifications de l’écoulement engendrées par cette instabilité peuvent avoir des conséquences importantes dans la prévention des risques naturels et la conception des infrastructures touchées. En effet, lorsqu’une couche granulaire s’écoule sur un lit rigide ou faiblement érodable, et si la pente est suffisamment forte, des ondes de surface peuvent se développer et se propager à des vitesses bien supérieures à celles de l’écoulement non perturbé. Le mécanisme d’apparition de ces ondes est le même, qu’il s’agisse d’un film liquide, d’une coulée de boue ou d’une avalanche (fig. 2). Il y a une compétition entre les effets dus à la gravité, qui auront tendance à stabiliser l’écoulement, et ceux dus à l’inertie du fluide qui amplifient les perturbations [2]. Si l’étude de cette instabilité date des travaux précurseurs de Kapitza et Kapitza [3], l’influence de la ségrégation par taille de particule sur les ondes se développant à la surface d’écoulements granulaires n’a Avancées de la recherche 1. Instabilités de digitation. (a) Dépôts caractéristiques observés après l’éruption du mont Saint Helens en juin 1980 (photo Dan Miller et USGS). (b) Expérience de laboratoire montrant la déstabilisation du front d’un écoulement granulaire bidisperse le long d’un plan incliné. Les grosses particules (marron) migrent vers la surface puis vers le front de l’écoulement. Ayant une friction plus importante que les fines particules blanches, une instabilité de digitation apparait (images tirées de Baker et al. [9]). La barre blanche représente une distance de 10 m sur la figure a) et 2,5 cm sur la figure b). b a b 2. Ondes à la surface d’un liquide ou d’une couche granulaire s’écoulant sur un plan incliné. (a) Instabilité de type Kapitza se développant à partir d’une infiltration d’eau dans la route pendant la crue de la Seine (février 2018). (b) Expérience de laboratoire montrant l’apparition de vagues du même type dans un écoulement granulaire bidisperse constitué de billes de verre sphériques de diamètre 75-150 µm (blanc) et 200-250 µm (vert). La flèche représente le sens de l’écoulement (images tirées de Viroulet et al., [4]). que peu été étudiée. Une étude récente [4] a montré que les particules les plus grosses ont tendance à s’accumuler au front des vagues (fig. 2), augmentant d’autant plus leur potentiel destructeur. Cependant, si les propriétés des vagues engendrées dépendent de la concentration initiale de chaque espèce de particules, le critère d’apparition et le mécanisme de l’instabilité restent inchangés. a Reflets de la Physique n°62 33



Autres parutions de ce magazine  voir tous les numéros


Liens vers cette page
Couverture seule :


Couverture avec texte parution au-dessus :


Couverture avec texte parution en dessous :


Reflets de la Physique numéro 62 jun à sep 2019 Page 1Reflets de la Physique numéro 62 jun à sep 2019 Page 2-3Reflets de la Physique numéro 62 jun à sep 2019 Page 4-5Reflets de la Physique numéro 62 jun à sep 2019 Page 6-7Reflets de la Physique numéro 62 jun à sep 2019 Page 8-9Reflets de la Physique numéro 62 jun à sep 2019 Page 10-11Reflets de la Physique numéro 62 jun à sep 2019 Page 12-13Reflets de la Physique numéro 62 jun à sep 2019 Page 14-15Reflets de la Physique numéro 62 jun à sep 2019 Page 16-17Reflets de la Physique numéro 62 jun à sep 2019 Page 18-19Reflets de la Physique numéro 62 jun à sep 2019 Page 20-21Reflets de la Physique numéro 62 jun à sep 2019 Page 22-23Reflets de la Physique numéro 62 jun à sep 2019 Page 24-25Reflets de la Physique numéro 62 jun à sep 2019 Page 26-27Reflets de la Physique numéro 62 jun à sep 2019 Page 28-29Reflets de la Physique numéro 62 jun à sep 2019 Page 30-31Reflets de la Physique numéro 62 jun à sep 2019 Page 32-33Reflets de la Physique numéro 62 jun à sep 2019 Page 34-35Reflets de la Physique numéro 62 jun à sep 2019 Page 36-37Reflets de la Physique numéro 62 jun à sep 2019 Page 38-39Reflets de la Physique numéro 62 jun à sep 2019 Page 40-41Reflets de la Physique numéro 62 jun à sep 2019 Page 42-43Reflets de la Physique numéro 62 jun à sep 2019 Page 44-45Reflets de la Physique numéro 62 jun à sep 2019 Page 46-47Reflets de la Physique numéro 62 jun à sep 2019 Page 48-49Reflets de la Physique numéro 62 jun à sep 2019 Page 50-51Reflets de la Physique numéro 62 jun à sep 2019 Page 52-53Reflets de la Physique numéro 62 jun à sep 2019 Page 54-55Reflets de la Physique numéro 62 jun à sep 2019 Page 56-57Reflets de la Physique numéro 62 jun à sep 2019 Page 58-59Reflets de la Physique numéro 62 jun à sep 2019 Page 60