Morphologie du lit autour d’un obstacle soumis à un écoulement en couche mince

Abstract

Cet article décrit les résultats d'expériences menées en canal réduit sur la morphologie du lit autour d'un obstacle sphérique (diamètre: 7,2 cm) à demi-enfoui dans un lit de sable non cohésif (D50:0.56 mm). La profondeur des écoulements varie de 0,45 cm à 1,4 cm, la vitesse moyenne de 25 cm s-1 à 45 cm s^1 et le nombre de Froude de 0,8 à 1,6. La morphologie typique comprend une zone d'affouillement formant un croissant en amont et sur les côtés de l'obstacle et une zone d'accumulation plus ou moins complexe en aval de l'obstacle. La profondeur maximale du surcreusement est variable, mais décroît brusquement lorsque la vitesse critique de mise en mouvement des grains du lit est dépassée. La complexité de la structure sédimentaire s'explique par la différenciation et l'expansion latérale et verticale des vortex qui se sont formés autour de l'obstacle. À petite vitesse, les structures sédimentaires en aval de l'obstacle sont multiples et forment un angle obtus entre elles. Cet arrangement est conditionné par la position relative de la vague, des vortex et des zones de vitesse réduite de part et d'autre de l'obstacle, en plus de celle située directement en aval de l'obstacle. La zone de vitesse réduite est exploitée par un vortex secondaire qui se détache du vortex en "fer-à-cheval" et contourne l'obstacle. Le vortex secondaire est caractérisé par une vitesse élevée par rapport au fluide environnant; il en résulte une cannelure surplombée par deux zones d'accumulation. Cette forme est conservée jusqu'à ce que le vortex réintègre l'écoulement principal. Lorsque la vitesse augmente, l'angle de la vague frontale se resserre autour de l'obstacle et restreint la propagation latérale du vortex secondaire; la morphologie qui en résulte est un surcreusement en forme de croissant et une mince zone d'accumulation en aval de l'obstacle. Ces observations démontrent qu'il existe une relation spécifique aux écoulements en couche mince entre la structure sédimentaire et les paramètres hydrauliques de l'écoulement.