Dry granular avalanche impact force on a rigid wall: Analytic shock solution versus discrete element simulations

The present paper investigates the mean impact force exerted by a granular mass flowing down an incline and impacting a rigid wall of semi-infinite height. First, this granular flow-wall interaction problem is modeled by numerical simulations based on the discrete element method (DEM). These DEM simulations allow computing the depth-averaged quantities—thickness, velocity, and density—of the incoming flow and the resulting mean force on the rigid wall. Second, that problem is described by a simple analytic solution based on a depth-averaged approach for a traveling compressible shock wave, whose volume is assumed to shrink into a singular surface, and which coexists with a dead zone. It is shown that the dead-zone dynamics and the mean force on the wall computed from DEM can be reproduced reasonably well by the analytic solution proposed over a wide range of slope angle of the incline. These results are obtained by feeding the analytic solution with the thickness, the depth-averaged velocity, and the density averaged over a certain distance along the incline rather than flow quantities taken at a singular section before the jump, thus showing that the assumption of a shock wave volume shrinking into a singular surface is questionable. The finite length of the traveling wave upstream of the grains piling against the wall must be considered. The sensitivity of the model prediction to that sampling length remains complicated, however, which highlights the need of further investigation about the properties and the internal structure of the propagating granular wave

Effet d'un obstacle sur une avalanche granulaire : étude du couplage hydrodynamique / dépôt à l'amont de l'obstacle

Nous étudions l'influence d'un obstacle sur des avalanches granulaires s'écoulant sur un plan incliné rugueux. Le dispositif expérimental est constitué d'un réservoir stockant le volume initial de matériau granulaire qui s'écoule, après déclenchement, dans un canal incliné. Un mur vertical obstrue entièrement la sortie du canal. L'écoulement granulaire surverse par-dessus l'obstacle et vient ensuite se déposer sur un plan incliné en aval de l'obstacle. Nous mesurons le volume stocké en amont de l'obstacle et la longueur de dépôt en aval de l'obstacle. Dans le régime d'avalanche étudié ici, il n'existe pas de relation simple entre la réduction de la longueur de dépôt en aval de l'obstacle et le volume final stocké à l'amont de l'obstacle. Cette complexité provient de l'influence des dissipations locales d'énergie associées au mécanisme de propagation du dépôt en amont de l'obstacle couplé avec une intumescence hydrodynamique

Dry granular avalanche impact force on a rigid wall of semi-infinite height

The present paper tackles the problem of the impact of a dry granular avalanche-flow on a rigid wall of semi-infinite height. An analytic force model based on depth-averaged shock theory is proposed to describe the flow-wall interaction and the resulting impact force on the wall. Provided that the analytic force model is fed with the incoming flow conditions regarding thickness, velocity and density, all averaged over a certain distance downstream of the undisturbed incoming flow, it reproduces very well the time history of the impact force actually measured by detailed discrete element simulations, for a wide range of slope angles

Dry granular avalanche impact force on a rigid wall of semi-infinite height

The present paper tackles the problem of the impact of a dry granular avalanche-flow on a rigid wallof semi-infinite height. An analytic force model based on depth-averaged shock theory is proposed to describethe flow-wall interaction and the resulting impact force on the wall. Provided that the analytic force modelis fed with the incoming flow conditions regarding thickness, velocity and density, all averaged over a certaindistance downstream of the undisturbed incoming flow, it reproduces very well the time history of the impactforce actually measured by detailed discrete element simulations, for a wide range of slope angles

Forme des ressauts granulaires en canal incliné: implications possibles pour le dimensionnement des digues paravalanches

Quand un écoulement granulaire à surface libre en régime supercritique rencontre un mur normal à la direction de l'écoulement, il peut se former une discontinuité en hauteur et en vitesse, dit ressaut granulaire par analogie aux ressauts hydrauliques, se propageant vers l'amont. Pour cela, il faut que la hauteur de l'obstacle soit supérieure à une hauteur critique conduisant à la formation du ressaut qui marque la transition entre le régime supercritique et le régime subcritique. En dessous de cette hauteur critique, l'écoulement reste supercritique et déborde sans formation de ressaut. Au-dessus de la hauteur critique, si le ressaut formé est de hauteur inférieure à la hauteur critique alors le ressaut se propage vers l'amont sans débordement de l'obstacle. Si le ressaut est de hauteur supérieure à la hauteur critique du mur alors ce dernier est débordé par l'écoulement. Ces processus, associés à la hauteur critique de l'obstacle pour qu'il y ait formation d'un ressaut d'une part et à la hauteur du ressaut formé d'autre part, constituent aujourd'hui les bases des recommandations Européennes en matière de dimensionnement des digues paravalanches d'arrêt visant à stopper entièrement l'écoulement d'avalanche ainsi que des digues de déviation [1]. Les valeurs de hauteur critique de l'obstacle et de hauteur du ressaut sont calculées à partir des équations traditionnelles des ressauts hydrauliques et sont essentiellement fonction du nombre de Froude de l'écoulement incident. Plusieurs études (voir par exemple [2,3,4]) ont démontré que ces équations classiques de l'hydraulique offraient de bonnes prédictions pour les ressauts, normaux ou obliques, formés dans les écoulements granulaires, ces derniers étant de bons modèles pour les écoulements de neige. Cependant la plupart des expériences de laboratoire sont restées jusqu'à présent limitées à des pentes fortes où l'inertie est dominante (nombre de Froude de l'ordre de 5-15), ce qui reste des valeurs élevées par rapport aux valeurs du nombre de Froude généralement plus faibles (de l'ordre de l'unité ou de quelques unités) dans la zone d'arrêt des avalanches. Des questions viennent alors à l'esprit : que se passe-t-il aux faibles valeurs du nombre de Froude pour lesquelles les forces d'inertie dans le ressaut ne sont pas dominantes ? Quel sont les effets des fortes de gravité et de frottement dans le ressaut ? Les équations classiques de l'hydraulique sont-elles toujours valides ? Afin de progresser sur ces questions, nous avons étudié en détail les ressauts stationnaires formés dans les écoulements granulaires en pente. Nous avons développé un nouveau dispositif expérimental qui permet de générer des ressauts granulaires stationnaires. Une vanne placée à la sortie d'un canal incliné à fond lisse permet d'obstruer en partie les écoulements granulaires permanents formés dans le canal et de générer des ressauts se propageant vers l'amont. En ajustant le débit de sortie au débit entrant, il est possible de rendre le ressaut stationnaire dans une large gamme de pente et débit. Des mesures basées sur des techniques d'imagerie (détection de surface libre, analyse de diagrammes spatio-temporels obtenus à la base de l'écoulement, aux parois et à la surface libre à l'aide d'une caméra rapide) couplées à des mesures de débit massique nous ont permis de mesurer en détail la dynamique des écoulements incidents (hauteur, vitesse, masse volumique) et la forme des ressauts pour chaque type d'écoulement. Nous avons pu établir un diagramme de phase qui permet de mettre en évidence une riche variété de ressauts granulaires. A haut débit, les écoulements sont denses et la forme des ressauts granulaires varie largement avec la pente. Au-delà d'une certaine pente, les écoulements sont légèrement non uniformes (uniformément accélérés) et les ressauts sont très raides avec une zone de recirculation au pied du ressaut. Pour une large gamme de pente, les écoulements sont uniformes, la zone de recirculation dans le ressaut disparait et les ressauts sont de plus en plus diffus quand la pente diminue. A une pente critique égale à l'angle de frottement typique du matériau, il est impossible de former un ressaut. Cette première série de tests à haut débit met en évidence une transition entre ressauts raides avec recirculation et ressauts diffus. Les ressauts diffus ont des hauteurs plus grandes que la hauteur prédite par l'hydraulique alors que la hauteur des ressauts raides avec recirculation est bien prédite par l'hydraulique classique. Nous montrons qu'une équation de ressaut avec prise en compte du poids du ressaut dans la direction de l'écoulement diminué de la force de frottement dans le ressaut (comme initialement proposé par [5] et récemment revisité par [6]) permet d'expliquer l'écart observé entre l'hydraulique classique et les ressauts granulaires diffus, dits ressauts frictionnels, à bas nombre de Froude typiquement en dessous de 4 dans nos tests. A faible débit, les écoulements incidents sont plus dilués et génèrent des ressauts dits compressibles pour lesquels il existe, en plus de la discontinuité en hauteur et en vitesse, une variation non négligeable de la masse volumique à travers le ressaut. Nous proposons une équation qui prend en compte cette variation de masse volumique. Cette équation est ainsi capable de prédire la diminution de la hauteur des ressauts quand les écoulements incidents sont de plus en plus dilués du fait de la diminution du débit entrant (à pente constante). Notre étude expérimentale de laboratoire couplée à des solutions analytiques a permis de mettre en évidence (i) une première transition entre ressauts granulaires raides avec recirculation et ressauts granulaires diffus frictionnels et (ii) une seconde transition entre ressauts granulaires incompressibles et compressibles. Les effets des termes source dans l'équation de ressaut (poids, force de frottement) à faible nombre de Froude et de la variation de masse volumique pour les écoulements dilués mis en évidence pour les ressauts stationnaires sont susceptibles de se manifester aussi dans les ressauts instationnaires. Cela peut remettre en question les recommandations Européennes existantes en matière de dimensionnement des digues paravalanches, notamment quand le nombre de Froude est faible (typiquement inférieur à 4 dans nos tests). Notre étude montre que les ressauts frictionnels diffus ont une hauteur plus grande que la hauteur prédite par l'équation de l'hydraulique alors que les ressauts compressibles ont une hauteur plus faible. Si le dernier résultat va dans le sens de la sécurité, le premier résultat est lui plus problématique quant au dimensionnement actuel des digues et au risque de débordement en aval des digues. En effet, nos résultats suggèrent que la hauteur des ressauts, donc la hauteur de digue nécessaire, peut être sous-estimée dans les régimes d'écoulement à bas nombre de Froude si l'équation de l'hydraulique (sans les termes source) est utilisée

Simulation sur modèle réduit de l`influence d`un obstacle sur un écoulement à surface libre. Application aux ouvrages de protection contre les avalanches de neige

[Departement_IRSTEA]RE [TR1_IRSTEA]RIE / ALPRISK [Encadrant_IRSTEA]Naaim M.The local and global avalanche flows modifications generated by an obstacle are the main topic of this PhD dissertation. These modifications were studied using laboratory experiments of gravity-driven granular flows and density currents. The approach is mainly experimental. Several experimental devices have been set up and instrumented. The study of the deposition processes of granular materials made it possible to establish the scaling laws governing the evolution and the final deposit geometry upstream of the obstacle. Concerning both granular flows and density currents, the analysis of the jet produced by the interaction between the flow and the obstacle allowed to find out the velocity shortening due to the ambient fluid incorporation. Concerning the run-out distance of dense granular avalanches, a global scale study allowed to quantify its reduction according to the obstacle height. The run-out reduction was interpreted, similarly to the hydraulic approaches, as "local pressure losses" generated by the obstacle.L`influence d`un obstacle sur les écoulements granulaires et les bouffées de densité a été étudiée en application aux avalanches de neige dense et en aérosol. L`approche est à dominante expérimentale. Elle a nécessité la mise en place de plusieurs dispositifs expérimentaux de laboratoires. Dans le cas d`écoulements de matériaux granulaires, l`étude des processus de dépôt a permis de dégager les lois d`échelles qui gouvernent la vitesse de formation et la géométrie du dépôt retenu par l`obstacle. Dans le cas des écoulements granulaires et des courants de densité, l`analyse du jet produit par l`interaction entre l`écoulement et l`obstacle a permis de quantifier le ralentissement produit par l`incorporation du fluide ambiant. En outre, une étude plus globale a permis de quantifier l`influence de la hauteur de l`obstacle sur la distance d`arrêt d`une avalanche granulaire. Enfin, une tentative d`interprétation en terme de perte de charge locale, par analogie aux approches hydrauliques, a été proposée

Attention radar ! L'avalanche de neige dans tous ses états…

International audienceAvalanche de neige… coulante (dense), poudreuse (aérosol), lourde, légère, sèche, humide, pulvérulente, mouillée, froide, de printemps (de fonte), granulaire, pâteuse, visqueuse, etc.Les mots ne manquent pas pour évoquer la diversité des perceptions du commun des mortels ayant côtoyé les pentes enneigées, du guide de haute montagne, du gestionnaire de station de ski, du pisteur-secouriste, ou encore du chercheur nivologue, etc. Le scientifique expert en avalanches propose des modèles pour prédire les vitesses, les distances d'arrêt, les volumes déposés et les forces d'impact, en se basant souvent sur la distinction entre aérosol (quelques kg/m 3) et écoulement dense (150 à 350 kg/m 3). Alors que l'aérosol définit de manière précise l'écoulement turbulent d'un mélange d'air et de fines particules de neige, l'avalanche dense revêt différentes réalités de terrain… Les conditions environnementales (température notamment) modifient la consistance de la neige qui coule : elle est pulvérulente, sèche/froide, ou alors plus lourde, humide/chaude. Dans le premier cas, les dépôts sont uniformes avec une granulométrie resserrée (Figure 1a) alors que dans le second cas, ils sont très chahutés, de granulométrie plus étendue, et ressemblent aux tentacules d'une pieuvre, avec plusieurs levées et plans de glissement (Figure 1b). Les scientifiques ont très tôt dressé une typologie détaillée des avalanches [2] [3]. L'essor des technologies d'imagerie, notamment les radars, a permis de voir à l'intérieur des avalanches ! Le système GEODAR 1 [4] a été mis en oeuvre sur le site de la Vallée de la Sionne (Suisse) depuis l'hiver 2010-2011 pour imager à hautes résolutions spatiale et temporelle les écoulements denses sur toute la pente (Figure 2). Une étude [5] vient d'exploiter des mesures GEODAR, combiné à d'autres techniques, pour extraire des informations détaillées sur la dynamique de 77 avalanches déclenchées à la Sionne. A partir de l'évolution des vitesses sur toute la pente pendant la durée totale de chaque avalanche, pas moins de sept régimes d'écoulement ont été identifiés en dehors de l'aérosol 2. Quatre régimes sont denses et contrôlés par les interactions entre les agrégats de neige et avec la base de l'écoulement. Deux régimes sont plus dilués avec les interactions entre les particules de neige et l'air qui dominent. Un septième régime se caractérise par les boules de neige qui roulent sans interagir. Parmi les écoulements denses, l'étude distingue deux types d'écoulement cisaillé 3 (l'un « froid », l'autre « chaud ») se comportant comme des écoulements granulaires non-cohésifs avec des différences de vitesse au sein de l'écoulement, et deux types d'écoulement en plug 4 (l'un « en plaque qui glisse », l'autre « chaud ») quand la cohésion domine et conduit à ce que la neige s'écoule comme un solide au-dessus d'une couche fine et très cisaillée. Des structures solides de plus de 100 m de long ont été détectées dans les écoulements chauds en plug ! Un régime intermittent (cinquième régime), siège de fluctuations de masse volumique importantes et se caractérisant par la présence de fronts déferlants, connecte l'écoulement dense à celui de particules en suspension (sixième régime). Le GEODAR permet de localiser en temps et espace les transitions entre ces 1 GEOphysical flow dynamics using pulsed Doppler radAR: 2 Ce dernier ne peut pas être détecté par le GEODAR car la taille critique des particules mises en jeu dans l'aérosol est trop petite pour la technologie de radar utilisée. 3 Un écoulement cisaillé est un écoulement dont la vitesse varie lorsque l'on se déplace d'un point à un autre dans l'épaisseur de l'écoulement (le gradient de vitesse est non nul) 4 Un écoulement en plug est un écoulement dont la vitesse est constante sur toute l'épaisseur de l'écoulement (le gradient de vitesse est nul, contrairement à l'écoulement cisaillé