L’objectif de cette étude est double : caractériser le transport sédimentaire dans un écoulement turbulent homogène et isotrope afin de valider les modèles utilisés dans les simulations numériques sous des conditions d’écoulement contrôlées et stabilisées ; développer une méthodologie de mesures transposables à un canal long (10 m) dans le cas d’un écoulement turbulent à surface libre généré par une onde de propagation représentant les conditions d’un mascaret. L’écoulement est généré dans une veine hydraulique rectangulaire de 1.5 m de long de section carrée (10 cm de côté). La turbulence est développée par une grille à mailles carrées (maille de 6.6 mm) choisie de manière à obtenir une faible décroissance spatiale de l’intensité turbulente soit environ 4-5% sur la majeure partie de la veine.  Dans une première partie, une analyse sans particules est faite sur la base de mesures LDV (Laser Doppler Velocimetry) afin de qualifier l’écoulement de transport. Le taux de dissipation d’énergie turbulente est estimé et les différentes échelles de la turbulence sont analysées. Le mouvement des particules injectées (PMMA) est ensuite quantifié par des mesures PIV (Particle Image Velocimetry) pour différentes concentrations. Une technique de mesures par fluorescence permet de distinguer la contribution de chaque taille de particule injectée. Une analyse en termes de flux de concentration, champs de vitesses et structure de l’écoulement lors du transport sédimentaire de deux tailles caractéristiques de particules (20 et 200 µm) est présentée. Les résultats sont comparés avec des données numériques

CAPLAIN, Bastien

REUNGOAT, David

I-Revues

21e`me Congre`s Franc¸ais de Me´canique Bordeaux, 26 au 30 aouˆt 2013
E´tude expe´rimentale de la turbulence de grille sur le
transport se´dimentaire
B. Caplaina, D. Reungoata
a. Institut de Me´canique et d’Inge´nierie de Bordeaux
Re´sume´ :
L’objectif de cette e´tude est de caracte´riser le transport se´dimentaire dans un e´coulement turbulent
homoge`ne et isotrope. La turbulence est de´veloppe´e par une grille a` mailles carre´es (maille de 6.6 mm)
choisie de manie`re a` obtenir une faible de´croissance spatiale de l’intensite´ turbulente sur la majeure
partie de la veine. Dans une premie`re partie, une analyse sans particules est re´alise´e sur la base de
mesures LDV (Laser Doppler Velocimetry) afin de caracte´riser l’e´coulement de transport. Dans une
seconde partie, le mouvement de grosses particules injecte´es est ensuite quantifie´ par des mesures
PIV/PTV (Particle Image/Tracking Velocimetry) pour diffe´rentes concentrations. Une technique de
mesures par fluorescence est mise en oeuvre afin de distinguer l’e´coulement fluide et la contribution des
particules injecte´es. Une analyse en termes de flux de concentration, champs de vitesses et structure
de l’e´coulement est re´alise´e.
Abstract :
The aim of this study is to characterise sediment transport in a homogene and isotrope turbulent flow.
Turbulence is developped by a square mesh grid (mesh 6.6 mm) chosen in order to obtain a low spatial
decrease of the turbulent intensity over the most part of the channel. At first, an analysis is done wi-
thout particles on the basis of LDV (Laser Doppler Velocimetry) measurements to characterise the fluid
flow. Then the motion of injected coarse particles is quantified by PIV/PTV (Particle Image/Tracking
Velocimetry) measurements for different concentrations. Fluorescent measurements are developped to
distinguish the flow and the contribution of injected particles. An analysis in terms of concentration
flux, velocity fields and flow structure is realised.
Mots clefs : turbulence homoge`ne isotrope ; transport se´dimentaire ; fluorescence
1 Introduction
Le mascaret est un phe´nome`ne tre`s important pour l’e´cosyste`me estuarien (turbulences, grande ca-
pacite´ de me´lange, transport des se´diments, remobilisation des polluants). Une e´tude de´taille´e et une
meilleure compre´hension des processus physiques est donc ne´cessaire pour pre´server ce phe´nome`ne na-
turel. Beaucoup d’e´tudes ont e´te´ entreprises pour comprendre l’interaction entre turbulence et trans-
port se´dimentaire ([3, 4, 6, 7, 8]). L’objectif de l’e´tude de laboratoire est double : caracte´riser le
transport se´dimentaire dans un e´coulement turbulent homoge`ne et isotrope (THI) afin de valider les
mode`les utilise´s dans les simulations nume´riques sous des conditions d’e´coulement controˆle´es et stabi-
lise´es ; de´velopper une me´thodologie de mesures transposables a` un canal long (10 m) dans le cas d’un
e´coulement turbulent a` surface libre ge´ne´re´ par une onde de propagation repre´sentant les conditions
d’un mascaret. Une turbulence homoge`ne isotrope est souvent produite par le moyen d’une grille de
turbulence. Dans un premier temps, l’e´coulement est qualifie´ sans particules par des mesures LDV afin
de ve´rifier la syme´trie des profils de vitesse et le caracte`re isotrope de l’e´coulement. Dans un second
temps, des mesures simultane´es PIV/PTV de deux tailles caracte´ristiques de particules fluorescentes
sont re´alise´es et analyse´es.
1
21e`me Congre`s Franc¸ais de Me´canique Bordeaux, 26 au 30 aouˆt 2013
2 Dispositif expe´rimental et mate´riels de mesures
2.1 Dispositif expe´rimental
L’e´coulement est ge´ne´re´ dans une veine hydraulique rectangulaire de 1.9 m de long de section carre´e
(D = 10 cm de coˆte´) (Figure 1). La veine hydraulique est compose´e, de l’amont vers l’aval, d’un
e´le´ment a` section divergente (∼ 15˚ ), d’un module de re´gularisation de l’e´coulement, d’un e´le´ment a`
section convergente, du canal de mesures et d’un e´le´ment a` section convergente (∼ 15˚ ) (Figure 2).
L’e´coulement est alimente´ par une pompe dont la consigne est asservie par un de´bitme`tre en sortie
de veine. La pompe permet d’obtenir une gamme de de´bit telle que 30 L/min ≤ Q ≤ 135 L/min
correspondant a` une gamme de la vitesse horizontale moyenne de l’e´coulement au centre de la veine
telle que 5 cm/s ≤ Um ≤ 22.5 cm/s.
Fig. 1 – Dispositif expe´rimental
Pour re´gulariser l’e´coulement, nous disposons de 2 types de grille dans le module de re´gularisation
de l’e´coulement. Une grille a` maillage hexagonal (nid d’abeilles) de 6 mm est place´e a` la sortie du
divergent et une grille a` maillage circulaire (re´seau de pailles) de 5 mm est dispose´e avant le convergent
(Figure 2). La turbulence est ge´ne´re´e par une grille a` mailles carre´es. Selon [2], la taille des mailles M
et l’e´paisseur des barres de la grille d sont choisies de fac¸on a` obtenir un coefficient de solidite´ de 0.33.
Le coefficient de solidite´ s’e´crit :
σ =
d
M
(
2− d
M
)
= 0.33 (1)
Nous avons choisi une grille avec un maillage de M = 6.6 mm et une e´paisseur des barres de la grille
de d = 1.2 mm correspondant a` un maillage de 15 mailles de coˆte´. Cette grille de turbulence est place´e
a` l’entre´e de la veine de mesures (x = 0).
Base´ sur Um et M, le nombre de Reynolds qui caracte´rise l’e´coulement s’e´crit :
ReM =
UmM
ν
(2)
avec ν la viscosite´ cine´matique de l’eau. Deux vitesses horizontales moyennes ont e´te´ e´tudie´es (Um =
10 cm/s et Um = 20 cm/s) correspondant a` ReM = 660 et ReM = 1320. ~x est la direction longitudinale
de l’e´coulement (x = 0 a` la position de la grille de turbulence), ~y la direction transversale (y = 0
au centre de la veine) et ~z la direction verticale (z = 0 au centre de la veine). U , V et W sont
respectivement les composantes horizontale, transversale et verticale de la vitesse.
2
21e`me Congre`s Franc¸ais de Me´canique Bordeaux, 26 au 30 aouˆt 2013
Fig. 2 – Sche´ma du dispositif expe´rimental
2.2 Mate´riels de mesures
L’e´coulement turbulent est qualifie´ le long de la veine par des mesures LDV. Les donne´es ont e´te´ ac-
quises par le moyen d’un logiciel BSAFlow de DANTEC. Pour les e´coulements turbulents, l’acquisition
des donne´es en un point doit eˆtre faite tre`s pre´cise´ment selon deux crite`res base´es sur la dure´e d’ac-
quisition T et sur le nombre d’e´chantillons acquis N. T doit eˆtre grand devant les e´chelles temporelles
de l’e´coulement et N doit eˆtre suffisamment grand de fac¸on a` ce que l’e´volution de la composante de
vitesse mesure´e ait converge´e. Selon [1], N = 2000 semble eˆtre un minimum. Nous avons ainsi choisi
N = 10000 et T = 60 s. Le syste`me de msesures LDV permet de d’acque´rir deux composantes de la
vitesse, les composantes horizontale U et verticale W .
Des mesures PIV/PTV-PLIF sont re´alise´es pour pouvoir mesurer simultane´ment l’e´volution spatiale
du champ fluide et du transport solide de grosses particules. Pour cela, des marqueurs fluorescents ont
e´te´ teste´s et caracte´rise´s. Un laser Quantel de 2 × 190mJ (Twins 190) avec une longueur d’onde de
532 nm est utilise´, une nappe verticale est ge´ne´re´e en y = 0 dans la direction longitudinale et synchro-
nise´e avec deux came´ras PCO Sensicam. Un protocole de greffage des particules par des marqueurs
fluorescents est applique´.
3 Re´sultats
3.1 Caracte´ristiques turbulentes
Nous cherchons ici a` montrer que l’e´coulement qui se de´veloppe a` l’aval de la grille est homoge`ne
et isotrope, nous analysons donc les proprie´te´s turbulentes de l’e´coulement. Les trois composantes
de la vitesse de l’e´coulement se de´composent en une vitesse moyenne et une vitesse fluctuante. Les
vitesses horizontale et verticale s’e´crivent U = Um + u et W = Wm + w respectivement, avec Um et
Wm les moyennes temporelles de U et W , et u et w les vitesses fluctuantes de U et W . Dans un tel
syste`me, les intensite´s turbulentes longitudinale et verticale s’e´crivent Ix =
√
u¯2/Um et Iz =
√
w¯2/Um
respectivement. Comme le syste`me LDV est 2D, la composante transversale de la vitesse V n’est
pas disponible. Pour un e´coulement homoge`ne et isotrope, nous supposons que w¯2 = v¯2 et donc que
Iy =
√
v¯2/Um = Iz. Les vitesses moyennes et les intensite´s turbulents sont mesure´s pour deux vitesses
Um de 10 et 20 cm/s correspondant a` des ReM de 660 et 1320.
La Figure 3 repre´sente l’e´volution longitudinale de Um/(Q/D2) (Figure 3a) et des intensite´s turbulentes
Ix et Iz (Figure 3b) comme une fonction de la distance a` la grille x/M . Nous pouvons observer que
Um/(Q/D2) augmente le´ge`rement entre 1.2 et 1.3 et que les intensite´s turbulentes de´croissent fortement
pour x/M ≤ 100 et plus mode´remment pour x/M ≥ 100. Ix et Iz se superposent et suivent la meˆme
tendence, ce qui traduit la forte isotropie de l’e´coulement. Les valeurs des intensite´s turbulentes varient
peu pour x/M ≥ 100, elles sont de l’ordre de 4− 5%.
La Figure 4 repre´sente les profils transversaux et verticaux de Um/(Q/D2) et de Ix pour diffe´rentes
positions x/M . Nous observons que tous ces profils ve´rifient la syme´trie de l’e´coulement par rapport
au centre de la veine (y/M = 0, z/M = 0). Nous constatons que les profils de Um/(Q/D2) ne varient
3
21e`me Congre`s Franc¸ais de Me´canique Bordeaux, 26 au 30 aouˆt 2013
(a) (b)
Fig. 3 – Profils longitudinaux de (a) Um/(Q/D2) et de (b) Ix, Iz (ReM = 1320).
(a) (b)
(c) (d)
Fig. 4 – Profils transversaux et verticaux de Um/(Q/D2) ((a) et (c) resp.) et de Ix, Iz ((b) et (d)
resp.) (ReM = 1320).
4
21e`me Congre`s Franc¸ais de Me´canique Bordeaux, 26 au 30 aouˆt 2013
pas selon x/M (Figures 4a et c respectivement). Par contre, les profils transversaux et verticaux de
Ix semblent se superposer et converger pour x ≥ 100 (Figures 4b et d respectivement).
Nous pouvons finalement conclure que l’e´coulement ge´ne´re´ est bien homoge`ne isotrope et l’intensite´
turbulente au centre de la veine varie peu pour x/M ≥ 100, c’est-a`-dire lorsque la de´croissance de
la turbulence est domine´ par la dissipation visqueuse ([2, 5]). Nous choisissons donc d’analyser le
transport se´dimentaire par mesures PIV/PTV pour x/M ≥ 100.
3.2 De´veloppement des mesures PIV/PTV des particules fluores-
centes
Les particules de suivi du champ fluide (diame`tre 20-40 µm) sont marque´es au Nile Red dont la
longueur d’onde de fluorecence est de 605 nm. Les plus grosses particules injecte´es (diame`tre 180-
200 µm) sont quant a` elles marque´es a` la Rhodamine 6G qui fluoresce a` 555 nm. Deux came´ras ont
e´te´ utilise´es avec des filtres passe-bande de 10 nm, centre´ sur 550 nm pour de´tecter le mouvement
des grosses particules fluorescentes et centre´ sur 632.6 nm pour de´tecter les particules de suivi du
champ fluide. Trois types de grosses particules sphe´riques de PMMA sont utilise´s : deux types de
particules avec un diame`tre recentre´ sur 180-200 µm et sur 250-300 µm, et un type de particules
fortement polydisperses avec un diame`tre infe´rieur a` 300 µm. Plusieurs configurations sont conside´re´es
en combinant deux tailles caracte´ristiques de grosses particules pour analyser l’influence d’une taille
de particules sur celles qui sont marque´es. Les mesures sont re´alise´es pour deux concentrations de
chacune de ces deux tailles de grosses particules (Tableau 1). Dix cas ont e´te´ re´alise´s a` deux positions
longitudinales de la veine (x/M = 117 et x/M = 239) pour deux vitesses de l’e´coulement correspondant
a` des ReM de 660 et 1320. La Figure 5 montre les images brutes des deux came´ras (Figure 5a et b), le
traitement PIV du champ fluide (Figure 5c) et le traitement PTV des grosses particules fluorescentes
(180-200 µm - Figure 5d). Les champs repre´sente´es traitent du cas 5 pour ReM = 1320 et x/M = 117.
A la diffe´rence des fines particules (Figure 5a), nous pouvons observer la formation d’un de´poˆt des
grosses particules fluorescentes sur la paroi infe´rieure (Figure 5b). Le de´poˆt forme´ et la suspension des
2 types des grosses particules (180-200 µm et 250-300 µm) contribuent davantage au de´veloppement
de la couche limite. Nous pouvons en effet observer sur la Figure 5c que l’intensite´ de la vitesse du
fluide est plus faible sur la partie infe´rieure que sur la partie supe´rieure de la veine.
hhhhhhhhhhhhhhhhFractions volumiques
Cas
1 2 3 4 5 6 7
V180−200µm (%) 0 0.02 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03
V250−300µm (%) 0 0 0 0.02 0.03 0 0
V≤300µm (%) 0 0 0 0 0 0.02 0.03
Tab. 1 – Configurations des expe´riences.
4 Conclusions
Des mesures LDV ont e´te´ re´alise´es dans un e´coulement turbulent ge´ne´re´ par une turbulence de grille
homoge`ne et isotrope. Les caracte´ristiques turbulentes de l’e´coulement ont e´te´ analyse´es, l’intensite´
turbulente est de l’ordre de 4− 5% a` partir d’une distance a` la grille supe´rieure a` 100 fois la maille de
la grille. Une technique de mesures PIV/PTV de particules fluorescentes a e´te´ de´veloppe´e et valide´e,
il est possible d’estimer simultane´ment les champs de vitesse du fluide et des grosses particules. L’effet
des interactions interparticulaires a e´te´ observe´ en corre´lation avec le de´poˆt dans la veine. L’analyse
des re´sultats se poursuit actuellement.
5 Remerciements
L’e´tude a pu eˆtre re´alise´e graˆce au financement de l’Agence National de la Recherche (Projet MASCA-
RET 10-BLAN-0911-01). Nous remercions l’Institut PPRIME pour leur mate´riel PIV/PTV et Patrick
Braud pour l’assistance technique.
5
21e`me Congre`s Franc¸ais de Me´canique Bordeaux, 26 au 30 aouˆt 2013
(a) (b)
(c) (d)
Fig. 5 – Images brutes (a) du champ fluide et (b) du champ de grosses particules. Champs de vitesses
par traitements (c) PIV et (d) PTV. Cas 5 : V180−200µm = 0.03%, V250−300µm = 0.03%, x/M = 117 et
ReM = 1320.
Re´fe´rences
[1] Belmabrouck, H., Michard, M. 1998 Taylor length scale measurement by Laser Doppler Velocime-
try. Experiments in Fluids 25 69-76
[2] Comte-Bellot, G., Corrsin, S. 1966 The use of a contraction to improve the isotropy of grid-
generated turbulence. Journal of Fluid Mechanics 25 657-682
[3] Cox, D.T., Kobayashi, N. 2000 Identification of intense, intermittent coherent motions under shoa-
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[4] Deigaard, R., Fredsoe, J., Hedegaard, I.B. 1986 Suspended sediment in the surf zone. Journal of
Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering 112 (1) 115-128
[5] Murzyn, F., Be´lorgey, M. 2005 Experimental investigation of the grid-generated turbulence features
in a free surface flow. Experimental Thermal and Fluid Science 29 925-935
[6] Mutlu Sumer, B., Whitehouse, R.J.S., Torum, A. 2001 Scour around coastal structures : a summary
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[7] Mutlu Sumer, B., Chua, L.H.C., Cheng, N.-S., Fredsoe, J. 2003 Influence of turbulence on bed
load sediment transport. Journal of Hydraulic Engineering 129 585-596
[8] Rashidi, G., Banerjee, S. 1988 Turbulence structure in free-surface channel flows. Physics of Fluids
31 (9) 2491-2503
6


Étude expérimentale de la turbulence de grille sur le transport sédimentaire

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