Etude expérimentale et numérique du transport de sédiment dans un coude à 90°

(eng) Predicting the morphological changes induced by fast transient flows such as flash floods or dam-break flows is still a challenging task, especially when sediment transport is considered. In order to validate numerical simulation tools designed for such flow conditions, reliable experimental data is needed. In previous experiments performed over a fixed bed, it was observed that the fast one-dimensional dam-break wave issued from the reservoir first reflects against the bend, then a hydraulic jump is formed and starts moving back in the upstream direction and, at the same time, the remaining part of the initial wave propagates further downstream with strong two-dimensional flow patterns due to the sudden change in flow direction. In this paper, experiments of the same type are presented, but over a mobile bed made of coarse uniform sediments. The initial conditions consist of a constant water-depth in the upstream reservoir and a saturated sediment bed with an initial thickness downstream. Due to the strong reflection of the flow in the bend, complex morphological patterns can be observed, with significant erosion and deposition. Measurements were obtained using non-intrusive devices to capture the free-surface evolution as well as the bed morphological evolution. The free-surface evolution was measured using ultrasonic probes at several locations. The bed morphological evolution was measured using digital imaging devices and a laser-sheet to isolate given cross-sections of the flow on the images. Such a technique proved its efficiency in slower flow conditions, but its application to the present case with a fast flow involving significant sediment transport is challenging. These measurements were then compared to numerical simulations performed using a finite-volume scheme with a lateralized Hart-Lax-Van Leer-Contact scheme for the flux predictions. This scheme solves in a coupled way the system composed by the shallow-water equations and the Exner equation for the bed morphology. Sediment transport is predicted using the Meyer-Peter and Müller formula. Finally, a discussion of the numerical results is proposed, through the comparisons with the experimental data.

(fre) Prévoir les changements morphologiques induits par des écoulements rapides et transitoires tels que les crues éclair ou les ruptures de barrage reste une tâche ardue, en particulier lorsque l’on tient compte du transport des sédiments. Des données expérimentales fiables sont nécessaires pour valider les outils de simulation numérique conçus pour de telles conditions d'écoulement. Lors d'expériences précédentes effectuées sur un lit fixe, il a été observé que l'onde unidimensionnelle rapide issue du réservoir et due à la rupture de barrage, se réfléchissait d'abord dans le coude et qu’ensuite un ressaut hydraulique se créait qui commençait à remonter vers l’amont. Au même moment, le reste de l'onde initiale se propageait vers l’aval avec un comportement bidimensionnel dû au changement soudain de la direction du flux. Dans ce mémoire, des expériences de même type sont présentées, mais sur un lit mobile constitué de sédiments uniformes grossiers. Les conditions initiales consistent en une profondeur d'eau constante dans le réservoir et en un lit de sédiment d’une épaisseur initialement définie dans le canal. En raison de la forte réflexion de l'écoulement sur le coude, des schémas morphologiques complexes peuvent être observés, avec une érosion et un dépôt importants. Les mesures ont été obtenues à l'aide de dispositifs non intrusifs pour capturer l'évolution de la hauteur d’eau ainsi que l'évolution morphologique du lit. L'évolution de la surface libre a été mesurée à l'aide de sondes à ultrasons placées tout le long du canal. L'évolution morphologique du lit a été déterminée au moyen d'appareils d'imagerie numérique et d'une feuille laser afin d'isoler des sections transversales de l'écoulement sur les images. Une telle technique a prouvé son efficacité dans des conditions d’écoulement plus lent, mais son application avec un écoulement rapide impliquant un transport important de sédiment est plus complexe. Ces mesures ont ensuite été comparées à des simulations numériques effectuées à l'aide d'un schéma de volumes-finis combiné à un solveur Hart-Lax-VanLeer-Contact latéralisé pour les prédictions de l’écoulement. Ce schéma résout de manière couplée le système composé des équations en eau peu profonde et de l'équation d'Exner pour la morphologie du lit. Le transport des sédiments est prédit initialement à l'aide de la formule de Meyer-Peter et Müller. Pour terminer, une discussion des résultats numériques en comparaison avec les données expérimentales sera proposée.