Local study of erosion of a model cohesive sediment subjected to turbulent flow or waves
Étude locale des modes d’érosion d’un sédiment cohésif modèle soumis à un écoulement turbulent ou à des vagues
Résumé
Cohesive sediments, more commonly known as silts, muds or sludges, are composed of fine clay particles. They differ from coarse sediments (sand, gravel) in the way they erode, due to an additional cohesive force. These cohesive sediments are mainly found in estuaries, at the confluence of sea and river. Using a transparent model cohesive sediment, made in the laboratory, composed of a mixture of laponite and CMC, this thesis will focus on the mechanisms of movement and erosion of these sediments. Particular interest was given to the links between their movements and their rheological properties (yield stress and viscoelasticity). The model sediments allow an easy adjustment of their rheological properties to the experimental needs. They were studied in three experimental channels, under turbulent flow and under waves. Moreover, the model sediment being transparent, these displacements were followed by optical methods (Particle Image Velocimetry (PIV) and Planar Laser-Induced Fluorescence (PLIF)). A new subpixel method was developed in this thesis to simultaneously detect the interface between the model sediment and the water while performing PIV. Numerous tests were performed to establish a link between the rheological properties of the sediment, its movements and the flow or wave parameters. This thesis highlights the key role of viscoelasticity in the movement of cohesive sediments. Finally, visualizations of the different erosion cases observed are listed.
Les sédiments cohésifs, plus communément appelés limons, vases ou boues, sont composés de fines particules d’argile. Ils diffèrent des sédiments plus grossiers (sable, gravier) dans leur manière de s’éroder, due à une force de cohésion supplémentaire. Ces sédiments cohésifs se retrouvent principalement dans les estuaires, à la confluence entre mer et fleuve. À l’aide d’un sédiment cohésif modèle transparent (SCMT), fabriqué en laboratoire, composé d’un mélange de laponite et de CMC, cette thèse s’intéressera aux mécanismes de mouvement et d’arrachement de ces sédiments. Un intérêt tout particulier a été apporté aux liens entre leurs mouvements et leurs propriétés rhéologiques (contrainte seuil et viscoélasticité). Les sédiments modèles permettent un ajustement facile de leurs propriétés rhéologiques aux besoins expérimentaux. Ils ont été étudiés dans trois canaux expérimentaux, sous écoulement turbulent et sous vagues. De surcroît, le sédiment modèle étant transparent, ces déplacements ont été suivis par méthodes optiques (Particle Image Velocimetry (PIV) et Planar Laser Induced Fluorescence (PLIF)). Une nouvelle méthode subpixel a été développée dans cette thèse pour permettre simultanément la détection de l’interface entre le sédiment modèle
et l’eau tout en effectuant de la PIV. De nombreux essais ont été réalisés pour établir un lien entre les propriétés rhéologiques du sédiment, ses mouvements et les paramètres d’écoulements ou de vagues. Cette thèse met en évidence le rôle clé de la viscoélasticité dans le déplacement des sédiments cohésifs. Enfin, les visualisations des différents cas d’érosion observés y sont répertoriées.
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