Soutenance de thèse de HONG CHONG-WEI

Résumé de la thèse

Le transport de sédiments dans la nature implique l'érosion, l'entraînement et le dépôt de particules de sédiments, conduisant souvent à la formation de morphologies auto-organisées telles que les rides et les dunes. La compréhension de ce processus complexe du point de vue de l'ingénierie nécessite une connaissance détaillée de la rhéologie des lits de sédiments cisaillés. Dans ce travail, nous étudions le transport de sédiments dans des écoulements laminaires de cisaillement dans un tube rectangulaire en utilisant des matériaux à indice de réfraction adapté et en faisant varier les propriétés des fluides et des particules. En partant de particules sphériques solides (PMMA) dans un fluide visqueux comme cas de référence, nous montrons que la rhéologie frictionnelle granulaire peut être caractérisée dans une configuration d'entraînement gravitaire, en prenant en compte le frottement sur les parois latérales et les effets de contre-courant et en considérant le lit comme un mélange de particules et de fluide. Pour étudier le processus de transport par charriage, le tube est placé horizontalement et un écoulement à débit constant est imposé à l'entrée. Un modèle analytique simple est développé sur la base d'une modélisation de milieu continu et de la rhéologie granulaire pour le mélange, en supposant une fraction volumique constante et en introduisant une longueur de coupure pour tenir compte de l'interface lit-fluide. Nous étudions également une configuration de transport de lit stationnaire obtenue en appliquant un débit en entrée qui contrebalance la gravité. La solution analytique prédit avec précision l'épaisseur de la couche ascendante, qui ne correspond qu'à un ou deux diamètres de particules, ce qui montre que cette configuration n'est pas adaptée à l'étude du transport de sédiments par charriage.
Pour étudier l'effet de la forme des particules, nous utilisons des particules de formes angulaires (billes de silice) dans le même dispositif expérimental. Un comportement similaire à celui des particules sphériques est observé à la fois dans les configurations d'entraînement gravitaire et dans les configurations de charriage horizontal. Le modèle analytique est en accord avec les résultats expérimentaux, bien que les paramètres rhéologiques ajustés diffèrent entre les configurations, probablement en raison de la forme des particules. Enfin, pour explorer le rôle de la mollesse des particules et du régime d'écoulement granulaire, nous utilisons des particules sphériques molles (hydrogels) gonflées dans des fluides de différentes viscosités. La rhéologie granulaire molle (SGranR) est caractérisée à l'aide d'un rhéomètre à pression imposée et montre la même transition du régime visqueux au régime inertiel que celle observée pour les particules solides. Nous montrons que la mollesse des particules affecte la fraction volumique critique et le coefficient de friction macroscopique critique. La configuration d'entraînement par gravité s'avère inadaptée aux mesures rhéologiques, car la suspension subit une transition de frottement. Cette transition s'explique par des interactions non coulombiennes entre les particules, comme le montrent des simulations DEM. Enfin, nous examinons le transport par charriage du lit de particules dans des configurations stationnaires et horizontales et discutons de la capacité prédictive du modèle continu simple pour les particules molles.