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Theses Year : 2005

Stability and dynamics of submarine granular slopes

Stabilité et dynamique de pentes granulaires sous-marines

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Abstract

This thesis mainly consists in the experimental study of the dynamics of a tilted granular interface, sheared by a laminar continuous water flow. In the geometry-controlled duct, two kinds of sedimentary transport may be encountered: water erosion and avalanche. A first study deals with onsets of motion. Experimental relations between motion thresholds by erosion or avalanche and water velocity or bedslope are consistent with simple modelling when taking into account gravity, inter-particular friction and water shear stresses. The regime of underwater avalanches is then explored for high slopes above the angle of maximal stability. Measurements of the pile slope evolution and of the particle transport rate (by PIV) show that the avalanche rapidly exhibits a quasi-stationary behaviour. The grains speed depends only on the pile slope. The relation between velocity and slope is well predicted by a modelling including recent developments about the rheology of granular materials and wall effects. In a third part, the deformation of the granular interface in a particular regime is studied. Vortex ripples are observed at the surface of the avalanche, when a water flow is imposed which tends to transport the particles in the opposite direction. A first stage of exponential growth is followed by the saturation of the amplitude of the ripples. The shape of the structures seems to be controlled by the recirculation bubble present at the rear of the ripple whereas the amplitude seems to be determined by the maximum quantity of particles transportable in the avalanche.
Cette thèse consiste en l'étude expérimentale de la dynamique d'une interface granulaire inclinée et cisaillée par un écoulement d'eau laminaire, continu. Dans le canal de géométrie contrôlée, deux modes de transport sédimentaires sont observables: par érosion hydrodynamique et par écoulement gravitaire en masse. Une première étude est consacrée aux seuils de mise en mouvement des particules. Deux modèles simples prenant en compte la gravité, la friction entre particules et le cisaillement du fluide, permettent de retrouver l'influence de la vitesse de l'écoulement d'eau et de la pente du lit sur les seuils de transport par érosion et par avalanche. Le régime d'écoulements gravitaires est ensuite exploré pour des pentes au-delà de l'angle maximal de stabilité. Les mesures d'évolution de la pente du tas et du débit de particules (par PIV) montrent que l'avalanche atteint rapidement un régime quasi-stationnaire. La vitesse des grains dépend uniquement de la pente du tas, dans une relation quantitativement prédite par un modèle adapté des développements récents de modélisation de la rhéologie des granulaires. Dans une troisième partie on s'intéresse à la déformation de l'interface granulaire dans un régime particulier. La formation de rides à tourbillon est observée à la surface de l'avalanche, lorsqu'on applique un écoulement d'eau qui tend à transporter les particules dans la direction opposée. Après une phase initiale de croissance exponentielle, l'amplitude des rides sature. La zone de recirculation à l'arrière de la ride semble contrôler la forme des structures tandis que la quantité de matière transportable par l'avalanche semble déterminer leur amplitude.
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Dates and versions

pastel-00001633 , version 1 (16-05-2006)

Identifiers

  • HAL Id : pastel-00001633 , version 1

Cite

Delphine Doppler. Stabilité et dynamique de pentes granulaires sous-marines. Sciences de l'ingénieur [physics]. ENSTA ParisTech, 2005. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00001633⟩
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