On unsteady open-channel flows : a contribution to nonstationary sediment transport in runoff flows and to unstable non-Newtonian mudflow studies

• Main Author: Fiorot, Guilherme Henrique
• Other Authors: Rennes, INSA
• Language: en
• Published: 2016
• Subjects: Coulée de boue; Ruisselement; Mudflow; Natural slopped channels; 624
• Online Access: http://www.theses.fr/2016ISAR0020/document

L'objectif général de cette thèse est l'étude de d'écoulement instationnaire du type coulée de boue dans des canaux naturels. La pluie, source du débit liquide, entraine le ruissellement, responsable du mouillage du sol, de la réduction de sa cohésion et de l'érosion des petites particules de sédiments. A partir de là, le transport de sédiments peut augmenter avec le débit et la pente du sol jusqu'à ce que la concentration en particules atteignent des niveau très importants dans la composition du fluide. Dans une première partie, un banc expérimental a été conçu pour simuler des écoulements ruissellants sur un lit mobile. Un système de mesure a été inventé et implémenté pour mesurer le débit solide instantané et le frottement instantané. Ces systèmes sont utilisés pour étudier l'effet des ondes de surface libre sur le transport de sédiments. Ces données sont employées pour corréler les charactéristiques entr l'écoulement et le transport solide. L'analyse des résultats permet d'observer que pour un écoulement moyen donné, la présence des ondes réduit la quantité moyenne des sédiments transportés. Dans une deuxième partie, la dynamique des écoulements très concentrés est étudiée grâce à un modèle de roll waves de première ordre pour les écoulements laminaires des fluides de type Herschel-Bulkley. Les résultats présentés indiquent que des roll wave sont certainement présentes dans un événement naturel publié et pris comme cas d'étude. Les propriétés des ondes prédites sont estimées avec un écart de 8% par rapport à l'amplitude moyenne mesurée. Finalement, la solution théorique pour le profil de vitesse est modifiée pour prendre en considération l'effet de la porosité. La solution mathématique est comparée à des simulations faites avec FLUENT. Une analyse paramétrique est effectuée, et la comparaison avec le cas d'étude déjà publié est améliorée. En conclusion générale, les phénomènes instationnaires qui peuvent apparaitre lors de l'évolution d'une coulée de boue affectent la dynamique générale du système couplé (écoulement-transport sédimentaire) par rapport au cas permanent et uniforme. Vérifier que ce type de phénomènes peut apparaître lors d'un événement naturel comme les coulées de boue doit être un étape importante d'un projet d'ingénierie, afin de limiter les risques de dommages. === This thesis was motivated by the need to better understand time-dependent features related to mudflow evolution on natural sloped channels. Basically, the research is focused on events that are confined in channels formed due to the topography. The rain, source of the liquid discharge, generates the runoff flow which is responsible for wetting the soil surface, promoting reduction of soil cohesiveness and erosion of small particles such as clay and sand. From this point, the sediment transport can increase as small water flows merge and form greater streams. The scenario keeps its evolution until i reaches high concentration of particles in the fluid mixture. In the first part, to study the non-permanent feature of sediment transport, an open-channel experiment was designed for simulating runoff flow over a mobile bed. A measurement system was designed and constructed to instantaneously inspect the solid discharge of particles and the flow friction at the bed. This apparatus is further used to explore the influence of free-surface waves on the sediment transport. Hydraulic properties of flows are qualitatively and quantitatively studied and data are used to correlate characteristics of flow and sediment transport. A set of experimental runs is presented and explored. Analysis of results shows that for fixed flow conditions, waves induce an overall smaller quantity of transported sediment. In a second part, the dynamics of high concentrated flows is addressed and this thesis attempts to appl a first-order roll-wave model for Herschel-Bulkley laminar fluid flow to a registered natural event. Results presented point out that roll waves could have occurred during this already published case-study event. Simulations could predict wave heights within 8% on uncertainty with respect to the mea amplitude of measured waves. Finally a new theoretical solution for the velocity profile is proposed taking into account the porosity of the bed. Results are then compared with numerical simulation performed in FLUENT. A parametric analysis is employed and the case-study is once again evaluated. A: general conclusion, the non-permanent phenomena that can appear during the evolution of a mudflow event affect the overall dynamics of the coupled system (hydraulic-sediment transport) in comparison to the steady and uniform case. Verifying that such phenomena could appear should indeed be an important part in hydraulic engineering projects, especially when dealing with lives, which is the case of mud flows.