Analyse et modélisation à différentes échelles des mécanismes d'érosion et de transport de matériaux solides PDF Download
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Book Description
Le travail a pour objectif de déterminer quels sont les flux solides et liquides produit par un petit bassin versant de montagne en réponse à un épisode pluvieux. Il s'appuie sur des observations réalisées sur les bassins de recherche de Draix, étudie les processus et facteurs intervenant dans la formation des écoulements et quantifie leurs rôles respectifs. Différentes échelles spatiales d'analyse sont utilisées : la parcelle, le versant ou la ravine élementaire et le bassin versant. La forte non-linéarité des réponses est mise en évidence au moyen d'une analyse statistique approfondie des données disponibles (1985-2003). Ce travail statistique est complété par l'interprétation d'observations et d'expérimentations de terrain spécifiques : expérimentations de simulation de pluie et observations sous pluies naturelles à l'échelle de la parcelle et de la ravine, suivi de l'état des stocks de sédiments dans les lits. Enfin, une première ébauche de modélisation spatialisée, à l'aide du modèle ETC (Erosion des torrents en crue) développé au Cemagref, a été réalisée, vérifiant la capacité du modèle à reproduire le fonctionnement temporel et spatial observé.
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Le travail a pour objectif de déterminer quels sont les flux solides et liquides produit par un petit bassin versant de montagne en réponse à un épisode pluvieux. Il s'appuie sur des observations réalisées sur les bassins de recherche de Draix, étudie les processus et facteurs intervenant dans la formation des écoulements et quantifie leurs rôles respectifs. Différentes échelles spatiales d'analyse sont utilisées : la parcelle, le versant ou la ravine élementaire et le bassin versant. La forte non-linéarité des réponses est mise en évidence au moyen d'une analyse statistique approfondie des données disponibles (1985-2003). Ce travail statistique est complété par l'interprétation d'observations et d'expérimentations de terrain spécifiques : expérimentations de simulation de pluie et observations sous pluies naturelles à l'échelle de la parcelle et de la ravine, suivi de l'état des stocks de sédiments dans les lits. Enfin, une première ébauche de modélisation spatialisée, à l'aide du modèle ETC (Erosion des torrents en crue) développé au Cemagref, a été réalisée, vérifiant la capacité du modèle à reproduire le fonctionnement temporel et spatial observé.
Author: Olivier Cerdan Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 186
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Dans le nord ouest du Bassin Parisien ainsi que dans de nombreuses zones cultivées de la ceinture loessique du nord de l'Europe, des problèmes économiques et environnementaux graves dus à l'érosion des sols sont de plus en plus fréquents. Les conditions à la surface du sol, i.e. la structure de surface, la rugosité et le couvert végétal, jouent un rôle majeur sur les capacités d'infiltration, et la sensibilité à l'érosion. La connaissance et la compréhension de l'hétérogénéité spatiale et de la dynamique temporelle de ces conditions de surface sont des points clé pour la modélisation de l'érosion hydrique des sols cultivés. L'objectif de cette étude est l'élaboration d'un modèle d'érosion à l'échelle du bassin versant qui intègre ces connaissances. A cet effet, de récentes expérimentations ont fourni des références quantitatives de taux de ruissellement et d'érosion à différentes échelles et pour différentes situations en termes de caractéristiques climatiques, d'état de surface, d'occupation du sol et de pratiques agricoles. Ces références ont été utilisées afin de développer des règles de décisions qui permettent d'évaluer la capacité d'infiltration, la concentration potentielle en sédiment du ruissellement et la sensibilité à l'incision des parcelles agricoles. Un réseau de circulation du ruissellement élaboré à partir du modèle numérique d'altitude combiné avec des informations sur les motifs agraires permet de calculer la hauteur d'eau ruisselée, le transport de sédiment par érosion diffuse ainsi que la localisation et la quantification de l'érosion linéaire en tout point du bassin versant.
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Les mécanismes élémentaires mis en jeu lors de l'érosion de surface d'un sol cohésif par un écoulement fluide demandent à être mieux connus dans le but d'améliorer la modélisation locale de l'érosion. En se basant sur une approche expérimentale, l'objectif de cette thèse vise à réaliser une étude paramétrique de l'érosion à l'aide de matériaux modèles, pour ensuite les soumettre à des sollicitations hydrodynamiques et mécaniques contrôlées. L'étude de matériaux granulaire sans cohésion a d'abord permis d'analyser la construction du nombre de Shields pour définir le seuil d'érosion. Ensuite, des essais de traction à différentes échelles ont permis de généraliser le nombre de Shields à des grains cohésifs par la relation entre seuil d'érosion et résistance mécanique. La mise au point de matériaux et d'essais d'érosion iso-indice a également permis de visualiser les mécanismes par lesquels l'écoulement conduit à l'arrachement de particules constitutives du matériau modèle lors d'essais de JET et de HET. Pour finir, d'autres types de matériaux cohésifs modèles ont été plus rapidement étudiés et révèlent de grandes perspectives d'études.
Author: Minh Hoang Le Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 0
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L'objectif global de ce travail est d'étudier une modélisation multi échelle et de développer une méthode adaptée pour la simulation numérique du processus d'érosion à l'échelle du bassin versant. Après avoir passé en revue les différents modèles existants, nous dérivons une solution analytique non triviale pour le système couplé modélisant le transport de sédiments par charriage. Ensuite, nous étudions l'hyperbolicité de ce système avec diverses lois de sédimentation proposées dans la littérature. Concernant le schéma numérique, nous présentons le domaine de validité de la méthode de splitting, pour les équations modélisant l'écoulement et celle décrivant l'évolution du fond. Pour la modélisation du transport en suspension à l'échelle de la parcelle, nous présentons un système d'équations couplant les mécanismes d'infiltration, de ruissellement et le transport de plusieurs classes de sédiments. L'implémentation et des tests de validation d'un schéma d'ordre élevé et de volumes finis bien équilibré sont également présentés. Ensuite, nous discutons sur l'application et la calibration du modèle avec des données expérimentales sur dix parcelles au Niger. Dans le but d'aboutir la simulation à l'échelle du bassin versant, nous développons une modélisation multi échelle dans laquelle nous intégrons le taux d'inondation dans les équations d'évolution afin de prendre en compte l'effet à petite échelle de la microtopographie. Au niveau numérique, nous étudions deux schémas bien équilibrés : le schéma de Roe basé sur un chemin conservatif, et le schéma avec reconstruction hydrostatique généralisée. Enfin, nous présentons une première application du modèle avec les données expérimentales du bassin versant de Ganspoel qui nécessite la parallélisation du code.
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Le transport de particules solides dans un matériau poreux saturé, sujet à l’écoulement de fluide se produit dans les milieux naturels et dans diverses applications liées au génie civil. Ces particules solides peuvent colmater les interstices du matériau poreux et par conséquent réduire sa perméabilité ou au contraire se détacher du matériau poreux et provoquer son érosion. Ainsi, cette thèse s’attache à étudier à l’échelle des grains du matériau poreux les mécanismes du transport de particules en présence d’écoulement de fluide incompressible et de calculer les interactions fluide-solide pour contribuer à la connaissance des phénomènes de colmatage ou d’érosion. Le travail est réalisé principalement par la voie numérique utilisant un couplage original entre deux codes de calcul : PFC3D pour la matrice granulaire – CFD FINAS pour l’écoulement du fluide, validé par des expériences de visualisation menées sur des modèles de laboratoire. L’étude numérique et expérimentale de la filtration dans un milieu poreux bidimensionnel montre l’influence des particules sur le champ de vitesse du fluide qui se met à son tour en mouvement et accélère la filtration. L’étude des interactions particules-fluide par l’approche couplée DEM-CFD (Distinct Element Method -Computational Fluid Dynamics) a abouti a proposé une formulation de la traînée en fonction de la porosité du milieu poreux. Le couplage avec la loi de Darcy conduit à une relation pratique qui prédit la perméabilité en fonction de la porosité. L’étude est étendue à la filtration de particules solides dans un milieu poreux constitué d’un empilement désordonné de sphères dans lequel un fluide s’écoule en permanence. L’analyse à l’échelle des grains montre des zones de colmatage qui se développent dans le milieu poreux. L’étendue du colmatage est analysée en fonction de combinaisons des forces prédominantes que sont les forces de gravité et de viscosité. Des courbes de distribution des particules selon la profondeur sont trouvées.
Author: Guillaume Nord Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Cette étude s'inscrit dans le développement de modèles à base physique de l'érosion hydrique à l'échelle des versants. L'objectif est la construction d'un modèle numérique (PSEM_2D, Plot Soil Erosion Model) couplant les mécanismes d'infiltration, de ruissellement et d'érosion. Les paramétrisations sélectionnées sont implémentées dans le modèle. Une première évaluation à partir de données de la littérature donne des résultats satisfaisants et montre l'intérêt d'un tel outil pour l'étude des transferts d'eau et de particules. L'étude se concentre ensuite sur les processus de l'érosion concentrée. L'analyse d'une base de donnée américaine portant sur la distribution granulométrique des particules exportées, l'hydraulique et les régimes d'érosion dans des rigoles révèle l'existence de différents comportements fonction de la texture des sols et sert de base à une comparaison avec PSEM_2D. Les formules de capacité de transport de Low (1989) et de Govers (1992) donnent les meilleurs résultats. Le modèle d'arrachement permet de reproduire les régimes d'érosion mais atteint ses limites quand des rigoles trop profondes se forment. Une étude expérimentale dans un canal de 3 m de long est menée pour améliorer la paramétrisation du transport de particules en distinguant transport en suspension et charriage en fonction en particulier de la taille et de la densité des particules. Enfin, le modèle numérique est utilisé pour une étude de cas de l'érosion hydrique sur une parcelle de 100 m2 pour différentes configurations hydrologiques, topographiques et pédologiques. Les résultats sont analysés à l'exutoire de la parcelle et le long d'une toposéquence de 20 m de long divisé en cinq tronçons.
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LE PRESENT TRAVAIL EST CONSACRE AU DEVELOPPEMENT ET A LA VALIDATION EXPERIMENTALE D'UNE METHODE DE PREDICTION QUANTITATIVE DE L'EROSION PAR CAVITATION. LA DEMARCHE DE PREDICTION RETENUE CONSISTE A MESURER LE POTENTIEL EROSIF, OU AGRESSIVITE, D'UN ECOULEMENT CAVITANT AFIN DE LE REPRODUIRE DE FACON ACCELEREE PUIS D'OBTENIR UNE MESURE PREVISIONNELLE DE L'EROSION. LA DEFINITION DE L'AGRESSIVITE REPOSE SUR L'ANALYSE STATISTIQUE DES MICRODEFORMATIONS PLASTIQUES ISOLEES FORMEES A LA SURFACE DES PAROIS SOLIDES ELASTOPLASTIQUES AU DEBUT DE L'ENDOMMAGEMENT. LES DISTRIBUTIONS ALEATOIRES, SPATIALE ET DIMENSIONNELLE, DE CES INDENTATIONS SONT REDUITES AUX TROIS GRANDEURS SCALAIRES: VST LE VOLUME TOTAL DES INDENTATIONS PAR UNITE DE SURFACE ET PAR UNITE DE TEMPS, RM ET HM LA MOYENNE DES DISTRIBUTIONS, PONDEREES PAR LE VOLUME, DU RAYON ET DE LA PROFONDEUR DES INDENTATIONS. QUANT A L'EROSION, ELLE EST MESUREE PAR L'EVOLUTION DE LA PROFONDEUR DE L'ENDOMMAGEMENT MACROSCOPIQUE DES PAROIS AU COURS DU TEMPS. DES MESURES D'AGRESSIVITE ET D'EROSION ONT ETE REALISEES POUR DES ECOULEMENTS VENTURIS EXPERIMENTAUX DE DEUX ECHELLES GEOMETRIQUES DIFFERENTES. POUR LES CONDITIONS DE SIMILITUDE CARACTERISANT CES ECOULEMENTS CAVITANTS, LES TRANSPOSITIONS DES MESURES D'AGRESSIVITE ET D'EROSION, ASSOCIEES A UN CHANGEMENT D'ECHELLE GEOMETRIQUE ET/OU A UN CHANGEMENT DE VITESSE DE L'ECOULEMENT, ONT ETE VERIFIEES. PAR AILLEURS, IL EST MONTRE QU'UN PARAMETRE ADIMENSIONNEL, II, CARACTERISTIQUE DE L'INTERACTION LIQUIDE/SOLIDE PERMET DE TRANSPOSER LES MESURES DE L'AGRESSIVITE LORS D'UN CHANGEMENT DE MATERIAU, ELASTOPLASTIQUE, DE LA PAROI SOLIDE DE L'ECOULEMENT. L'OBSERVATION D'UNE TRES FORTE CORRELATION ENTRE LE TAUX DE DEFORMATION VOLUMIQUE VST ET LA VITESSE D'EROSION PERMET D'ENVISAGER UNE NOUVELLE DEMARCHE DE PREDICTION DE L'EROSION. DES MESURES D'AGRESSIVITE ET D'EROSION ONT EGALEMENT ETE REALISEES POUR LES ECOULEMENTS DU CAVERSIM, MOYEN D'ESSAIS DEFINI POUR LA REPRODUCTION ACCELEREE DE L'ENDOMMAGEMENT PAR CAVITATION. L'OBSERVATION DE LA MEME CORRELATION ENTRE LA MESURE DE L'AGRESSIVITE, VST, ET LA VITESSE D'EROSION, POUR CES ECOULEMENTS CAVITANTS TOUT A FAIT DIFFERENTS DES ECOULEMENTS VENTURIS, PERMET DE VALIDER EXPERIMENTALEMENT LA METHODE PROPOSEE DE PREDICTION DE L'EROSION PAR CAVITATION
Author: Anh Tuan Tong Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Les matériaux granulaires multiphasiques occupent une place très importante dans notre environnement qui suscitent un grand intérêt de nombreuses communautés scientifiques, notamment celles de la mécanique des sols ou de la géotechnique. Le caractère divisé permet les milieux granulaires multiphasiques d'avoir un comportement mécanique global qui trouve leur origine, leur distribution et interactions entre les phases de composition. Un modèle de couplage hydromécanique est présenté dans ce travail de thèse pour l'application à la modélisation microscopique des couplages hydromécaniques dans les matériaux granulaires saturés. Le modèle numérique est basé sur un couplage de la méthode des éléments discrets (DEM) avec une formulation en volumes finis, à l'échelle des pores (PFV), du problmème de l'écoulement d'un fluide visqueux incompressible. Le solide est modélisé comme un arrangement de particules sphériques avec des interactions de type élasto-plastique aux contacts solide-solide. On considère un écoulement de Stokes incompressible, en supposant que les forces inertielles sont négligeables par rapport aux forces visqueuses. La géométrie des pores et leur connectivité sont définies sur la base d'une triangulation régulière des sphères, qui aboutit à un maillage tétrahédrique. La définition des conductivités hydrauliques à l'échelle des pores est un point clef du modèle, qui se rapproche sur ce point à des modèles de type pore-network. Une importance particulière réside dans les lois d'interactions fluide-solide permettant de déterminer des forces de fluide appliquées sur chacune des particules, tout en assurant un coût de calcul acceptable pour la modélisation en trois dimensions avec plusieurs millieurs des particules. Des mesures de perméabilités sur des assemblages bidisperses de billes de verre sont présentées et comparées aux prédictions du modèle et aux formules empiriques/semi-empiriques dans la littérature, ce qui valide la définition de la conductivité locale et met en évidence le rôle de la distribution granulométrique et la porosité. Une approche numérique pour analyser l'interaction mécanique fluide-solide et les mécanismes d'érosion interne est finalement présentée.
Author: Cong Doan Nguyen Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Ce travail de thèse s'est attaché à investiguer, d'une part, le mécanisme d'érosion interne par suffusion dans les ouvrages hydrauliques en terre, et d'autre part, les conséquences qu'il pourrait avoir sur le comportement mécanique du sol, l'objectif principal étant d'améliorer notre compréhension de ce processus et du comportement des sols érodés. La démarche adoptée est principalement expérimentale, réalisée à différentes échelles : du macroscopique, à l'échelle du matériau, au microscopique, à l'échelle des grains constitutifs. A l'échelle macroscopique, des essais de suffusion ont été réalisés sur des échantillons de sol à l'aide d'un nouveau dispositif d'essai d'érosion, appelé perméamètre de suffusion, développé dans le cadre de cette thèse. Après érosion dans le perméamètre, les échantillons érodés sont transférés par une procédure de congélation / décongélation dans un dispositif d'essai triaxial afin d'étudier leur comportement sous chargement mécanique. Les résultats obtenus à cette échelle ont permis de donner un aperçu général du mécanisme de suffusion et de mettre en évidence son impact sur les propriétés de résistance au cisaillement du sol. A l'échelle microscopique, une analyse fine a pu être menée en réalisant un essai de suffusion des mesures in-operando de tomographie à rayons X et de la visualisation locale par techniques optiques sur un sol artificiel. La caractérisation du sol à cette échelle microstructurale a permis de mieux comprendre le processus de suffusion, notamment en mettant en évidence l'apparition et le développement de fortes hétérogénéités qui semblent avoir une influence importante sur la réponse mécanique des sols érodés.
Author: Nicolle Mathys
Author: Nicolle Mathys
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Author: Olivier Cerdan
Author: Florian Brunier-Coulin
Author: Minh Hoang Le
Author: Boumediene Benmezroua
Author: Guillaume Nord
Author: ALAIN.. RETAILLEAU
Author: Anh Tuan Tong
Author: Cong Doan Nguyen