Contribution to the modelling of aeolian transport of particles. Measurements of concentration profiles in a wind-tunnel | Contribution à la modélisation du transport éolien de particules. Mesures de profils de concentration en soufflerie diphasique

[Notes_IRSTEA]bibl./annex. [Departement_IRSTEA]EEE [TR1_IRSTEA]E31-Ingénierie et prévention des risques naturels en montagne

English. This work deals with both physical and empirical modelling techniques that contribute significantly towards a better understanding of the phenomena of various particles aeolian movement. Physical modelling in a wind-tunnel allows the experiments to be performed in realistic movement conditions. The phenomena can then be studied using the turbulent boundary layer theory. Using this approach, we constructed and installed experimental tools consisting of optical methods of visualisation, in conjunction with a system of image capture and processing, in order to determine the profile of bulk concentrations of particle flow. The transitionary phase leading to saturation is studied. The influence of various particle characteristics (diameter, density, etc.) on the concentration profiles were also analysed from the point of view of fall velocity, friction threshold velocity and flow rate. This transparent measurement method yielded encouraging results, vis-a-vis theoretical expectations, and has allowed us to perform several significant measurements without disturbing the flow. Numerical simulation based on the laws of fluid mechanics has been developed using the Flow3D code (developed by CFDS, AEA Technology, England, based on the SIMPLE algorithm). The interaction between the flow and the particle bed is studied via a mass flux determined experimentally using an optical device (laser diode) which allows the evolution of the particle bed thickness to be measured. A ripple formation has been observed during measurement of the temporal evolution of the bed thickness. Comparison between numerical simulations and experimental data shows excellent correlation for the reproduction of the velocity field, and gives an idea of the concentration profiles. However, the numerical model simulates the profiles of vertically slightly diffused mass concentration. A second numerical approach allows to solve the solid mass conservation equation in the suspension layer. It gives a spatial distribution of the concentration very close to the experimental one.

French. Ce travail traite de l'utilisation des outils de modélisation physique et numérique dans le domaine du transport éolien de différentes particules. La modélisation physique en soufflerie diphasique et la théorie de la couche limite turbulente ont permis de reproduire les conditions de transport in situ. Dans le cadre de cette approche, nous avons conçu et mis en place un dispositif optique de visualisation laser, et une chaîne de prise et de traitement d'images pour la détermination des profils de concentration massique de l'écoulement chargé. La phase transitoire qui mène vers la saturation est étudiée. L'influence des caractéristiques des particules sur les profils de concentration est aussi analysée. Cette technique de mesure non intrusive donne des résultats très encourageants par rapport aux profils prévus par la théorie, et permet d'obtenir un nombre de points de mesure très important. Une simulation numérique basée sur les lois de conservation de la mécanique des fluides est présentée. L'interaction entre l'écoulement et le lit de particules est prise en compte par l'intermédiaire d'un flux massique déterminé expérimentalement, grâce à un dispositif optique (diode laser) qui permet de mesurer l'évolution de l'épaisseur du lit de particules. Ces observations expérimentales donnent lieu à une analyse du phénomène de "ripples" observé lors de l'évolution temporelle de l'épaisseur du lit. Une première simulation par le code Flow3D (CFDS-AEA Technology, Angleterre) indique une bonne reproduction des champs de vitesses. Cependant, même si les ordres de grandeur pour les profils de concentration sont corrects dans les premiers millimètres, ce code numérique ne permet pas d'obtenir une diffusion verticale suffisante des particules. Une seconde approche numérique permet de résoudre l'équation de conservation de la masse solide dans la zone de suspension, et donne une distribution spatiale de la concentration très proche de la distribution expérimentale.