Dynamics and sedimentation of fluid-solid suspensions
Dynamique et sédimentation des suspensions liquide-solides
Résumé
In some rivers characterized by a low mean flow rate, the sediments transfer is periodically disturbed by the occurrence of extreme events (floods or flash floods, dyke breaches or dam-break) during which the intense erosion of solid particles of variable size can lead to the formation of debris and mud flows, of various concentration, that can transform into turbidity currents or submarine avalanches as they propagate through freshwater reservoirs or deep-sea environments. The unpredictable and devastating nature of these events commonly prevents their direct study (through observation or monitoring methods), thus limiting the understanding and the possibility of modeling these large-scale natural phenomena. The objective of this PhD work first consists in generating homogeneous suspensions of solid particles and liquid in the laboratory, while being able to properly characterize the concentration of sediments in the mixture and varying it on a
wide range of values. First, classical fluidization and sedimentation experiments involving different types
of materials (of varying size, density, and shape) and fluid (liquid or gas) have been performed in the reservoir of the experimental device. The measurements obtained allowed us to highlight that the mean sedimentation velocity of the particles in a homogeneous suspension can be obtained from the theoretical expression of the velocity of an isolated particle settling in a pure fluid at rest, to which two corrections are applied : a first-one
on the density that affects the buoyant force acting on the particle ; a second-one on the viscosity that affects both the drag force acting on the particle and its local agitation relatively to that of the fluid. Additional experiments consisting in releasing a macroscopic sphere, of variable size, in these suspensions, allowed us to highlight that the drag force acting on the falling sphere is attributed to a thin layer of mixture, strongly sheared, wedged between the sphere wall and the closest particle and characterized by the local mixture viscosity as previously described from the sedimentation velocity. Beyond this layer, the particles of the suspension slide relatively to the sphere.
By releasing such homogeneous suspensions in the dam-break flume, we performed novel experiments of mud flows (e.g. free-surface flows generated in the flume filled with air) and turbidity currents (e.g. fully immersed flows performed in the flume filled with water) in order to better understand the processes of transport and sedimentation of the particles within the flows. The results obtained allowed us to highlight that the concentration of particles in the mixture tends to reduce its mobility (distance and travel time,
mean velocity). The deposit left by the flows is also thicker and shorter as the concentration of particles in the mixture is increased, which can be explained in particular by their faster sedimentation. The runout time of the suspension is controled by the sedimentation time described from a characteristic sedimentation length and the sedimentation velocity determined previously that only depends on the suspension, materials, and
fluid properties. Immersed flows differ from the free surface ones by the formation of a dilute mixture layer formed at the surface of the suspension which rapidly becomes independent of the underlying flow. Its propagation time is controled by the time taken by a particle to fall in the pure fluid at rest.
Dans certains cours d'eau à faible débit moyen, le transfert de sédiments est périodiquement perturbé par l'occurrence d'événements extrêmes (inondations, crues eclair, rupture de digues ou de barrage) au cours desquels l'érosion intense et la mise en suspension de particules solides de taille variable peut entraîner la formation de coulées de débris ou de boue, de concentration variable, qui peuvent se transformer en courants de turbidité ou avalanches sous-marines lorsqu'elles se propagent dans les réservoirs d'eau douce ou en milieu marin profond. Le caractère imprévisible et dévastateur de ces événements empêche bien souvent leur étude directe (à partir de méthodes d'observation ou de surveillance), limitant ainsi la compréhension et la possibilité de modéliser ces phénomènes naturels de grande ampleur. L'objectif de ce travail de thèse consiste tout d'abord à pouvoir générer en laboratoire des suspensions homogènes de particules solides et de liquide, tout en étant capable de caractériser proprement la concentration en sédiments du mélange et de pouvoir la faire varier sur une large gamme de valeurs. Dans un premier temps, des expériences classiques de fluidisation et de sédimentation impliquant différents types de matériaux (de taille, de densité, et de forme variable) et de fluide (liquide ou gaz) ont été réalisées dans le réservoir du dispositif. Les mesures obtenues nous ont permis de montrer que la vitesse moyenne de sédimentation des particules dans une suspension homogène peut être obtenue à partir de la vitesse théorique d'une particule isolée se déposant dans un fluide pur au repos, à laquelle on doit appliquer deux corrections : une sur la densité qui affecte la force de flottabilité agissant sur la particule et une autre sur la viscosité qui affecte à la fois la force de trainée agissant sur la particule et son agitation locale par rapport à celle du fluide. Des expériences supplémentaires consistant à relâcher une sphère macroscopique, de taille variable, dans ces suspensions, nous ont permis de comprendre que la force de trainée agissant sur la sphère plongeante est
attribuée à une fine couche de mélange, coincée entre la paroi de la sphère et la particule la plus proche, fortement cisaillée, et caractérisée par la viscosité locale du mélange telle que l'on peut la décrire à partir de la vitesse de sédimentation. Au-delà de cette couche, les particules de la suspension glissent par rapport à la sphère.
En relâchant ces suspensions dans le canal du dispositif expérimental, de type `rupture de barrage', nous avons pu réaliser des expériences inédites de coulées de boue (écoulements à surface libre générés dans le canal rempli d'air) et de courants de turbidité (écoulements pleinement immergés réalisés dans le canal rempli d'eau) afin de mieux comprendre les processus de transport et de sédimentation des particules dans ces écoulements. Les résultats obtenus nous ont permis de montrer que la concentration en particules dans le mélange tend à diminuer sa mobilité (distance et temps de parcours, vitesse moyenne). Le dépôt laissé par les écoulements sont également d'autant plus épais et plus court que la concentration en particules dans le mélange est élevée, ce qui peut s'expliquer notamment par une sédimentation plus rapide des particules. Le temps de runout de la suspension est contrôlé par le temps de sédimentation décrit à partir d'une longueur
de sédimentation caractéristique et la vitesse de sédimentation déterminée précédemment qui dépend uniquement des propriétés de la suspension, des matériaux et du fluide. Les écoulements immergés se distinguent des écoulements à surface libre par la formation d'une couche de mélange diluée formée en surface qui devient rapidement indépendante de l'écoulement sous-jacent. Son temps de propagation est contrôlé par le temps de chute des particules dans le fluide au repos.
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