Étude numérique et expérimentale de la déstabilisation des milieux granulaires immergés par fluidisation

The subject of this thesis is the numerical analysis and experimental investigation of the destabilization of submerged granular media caused by fluidization. This hydro- mechanical instability is one of the mechanisms that may trigger the regressive erosion, which is one of the main degradation phenomena driving the internal erosion of earthen hydraulic constructions. Such erosion mechanisms can only be understood through a rigorous description of the coupling and interaction between the eroding fluid and the soil particles. For this purpose, a 2D model has been used coupling two different numerical techniques, the discrete element method (DEM) for modelling the mechanical behaviour of the solid phase and the Lattice Boltzmann method (LBM) for the fluid phase. The experimental validation of this numerical 2D simulation has been carried out using two optical techniques for the internal visualization of a granular sample, namely the adjustment of the refraction index of the two phases and the laser-induced fluorescence.These studies have shown the existence of three distinct regimes depending on the flow velocity imposed at a localized injection : a porous regime, a regime of fluidized cavity and a regime of local fluidization throughout the whole height of the granular bed, also denominated regime of fluidized chimney. A parametrical study of the transitory phase of localized fluidization, both for the regimes of fluidized cavity and chimney, has lead to the definition of a characteristic time and a vertical expansion rate consistent with a scaling law out of a dimensional analysis involving the control parameters. A systematic analysis of the influence of the injection size has also been presented, while the limit case of homogeneous fluidization in transitory regime has been studied both numerically and experimentally. To conclude, some preliminary results on the interaction between the fluidized cavities of two separate injections has also been discussed.Ce travail de thèse a pour objet l’étude numérique et expérimentale de la déstabilisa- tion de milieux granulaires immergés par fluidisation. Cette instabilité hydromécanique est un mécanisme précurseur de l’érosion régressive, processus de dégradation au cœur de la problématique de l’érosion interne des ouvrages hydrauliques en terre. La compré- hension de ces mécanismes d’érosion nécessite une description rigoureuse du couplage et de l’interaction entre le fluide et les particules de sol. A cette fin, un modèle 2D a été utilisé en couplant deux méthodes particulaires, la méthode des éléments discrets (DEM) pour modéliser le comportement mécanique de la phase solide et la méthode Lattice Boltzmann (LBM) pour la phase fluide. Des expériences servant de validation à cette simulation numérique 2D ont également été réalisées en s’appuyant sur une technique de visualisation interne d’un empilement granulaire combinant l’ajustement d’indice de réfraction des deux phases et la fluorescence induite par plan laser.Ces études ont tout d’abord montré l’existence de trois régimes distincts en fonction de la vitesse d’écoulement imposée au niveau d’une injection localisée : un régime poreux, un régime de cavité fluidisée et un régime de fluidisation locale sur toute la hauteur du lit granulaire encore appelé régime de cheminée fluidisée. Une étude paramétrique de la phase transitoire de fluidisation localisée, en regimes de cavité et de cheminée, a permis de définir un temps caractéristique et un taux d’expansion verticale pour lesquels une loi d’échelle a été obtenue et une analyse dimensionnelle proposée en fonction des paramètre de contrôle. Une analyse systématique de l’influence de la taille de l’injection a également été menée et le cas limite de la fluidisation homogène en régime transitoire a été étudié numériquement et expérimentalement. Enfin, des résultats préliminaires sont présentés sur l’interaction entre cavités fluidisées issues de deux injections distinctes