Physique du transport sédimentaire éolien
Le sable entre fluide et solide
Le sable fait partie de la famille des milieux granulaires.
Un matériau granulaire est un matériau constitué d’un grand nombre de particules solides distinctes, les grains, qui ne sont pas liés par des liaisons covalentes (c’est-à-dire de liaison chimique). Cette division en éléments multiples entraîne des comportements particuliers de ces matériaux, beaucoup de propriétés à grande échelle étant ainsi indépendantes des propriétés individuelles des grains.
Ainsi les milieux granulaires sont composés d’une collection de particules macroscopiques de taille supérieure à quelques dizaines de μm. Cette limite inférieure s’explique par les types d’interactions existantes pour ces dimensions inférieures (électrostatisme, liaison chimique…).
Dans le cadre du transport du sable, on définit le sable par un intervalle de taille (qui dépend de ρsable la masse volumique de la particule). La taille minimale est définie par la taille en dessous de laquelle la vitesse de chute du grain est inférieure aux fluctuations de vitesse de l’atmosphère, et la taille supérieure par la taille au-dessus de laquelle il n’y a plus de mouvements que ce soit directement du au vent ou même par impact.
Principe physique du déplacement éolien du sable
Lorsque le vent balaye le sol, cela entraine des turbulences de surface, perturbant les particules de sable.
Lorsque le vent est suffisamment puissant, il met les particules en mouvement (initialement, au ras du sol). La vitesse de vent nécessaire pour créer ce mouvement est appelée Vitesse critique.
Elle varie en fonction de la taille des grains de sable etdu degré d’humidité du sable (qui augment le seuil de cohésion au sol, ce qui nécessite une plus grande vitesse de vent pour soulever le sable).
Lorsque le vent souffle sur une étendue de sable, ce dernier se met en mouvement. Il existe trois modes de transport des grains :
- À Suspension
- B Saltation
- C Reptation
Figure – Les différents modes de déplacement du sable
Lorsque les grains de sable se déplacent, ils s’entrechoquent avec d’autres grains, les faisant rebondir.
Le vent récupère et transporte ces particules en suspension. Ces particules retombent ensuite, par la force de la gravité. Lorsque les particules de sable atterrissent sur des surfaces dures (comme la roche), elles rebondissent et sont transportées à nouveau. Lorsqu’elles atterrissent sur une surface sableuse, elles vont perturber et faire rebondir d’autres particules qui en conséquence, peut aussi être transportées par le vent, créant ainsi une réaction en chaine.
Lorsque la vitesse de vent devient insuffisante le sable repasse au repos.
Simulation numérique du déplacement du sable
Par défaut, les traces de particules sont le chemin qu’une particule sans masse prendrait lorsqu’elle serait libérée dans le flux. Notre technique de modélisation physique du sable consiste à inclure les effets de la masse sur la particule (sable, poussière…). La trace qui en résulte se comporte plus comme une substance physique dans un système d’écoulement.
Les effets d’inertie et de traînée sont pris en compte et si une particule a trop d’inertie pour tourner un coin par exemple, elle poursuivra son chemin.
D’autre part, les particules de type massique rebondissent lorsqu’elles frappent un mur ou d’autre particule de sable. La quantité de rebond est définie d’après le coefficient de restitution.
Celui-ci est spécifié pour contrôler dans notre moteur de calcul afin de quantifier la quantité de transfert d’énergie de rebonds dans une collision.
Ainsi, pour nos études chaque particule de sable simulé est soumise aux effets de poids (densité des grains de sable), de forme (diamètre moyen de particule) et de rebond (sous forme de coefficient de restitution).
Description succinte de l’étude
L’effet de passage sous chalet apparaît lors de la création d’un trou sous la construction ou la mise sur pilotis de l’édifice, reliant l’avant du bâtiment en surpression et son arrière en dépression. Le vent s’accélère alors en s’engouffrant au travers de ces ouvertures reliant la façade au vent et la façade sous le vent. Des ouvertures à travers la base d’un bâtiment élevé peuvent induire de très hautes vitesses de vent à travers celles-ci. L’incidence du vent par rapport au trou joue un rôle capital sur cet effet.
Les chalets sur pilotis présentent une accélération du vent au niveau du passage créé par l’érosion du sable. Ce mécanisme s’auto alimente, la section de passage est créée par l’érosion du sable sous le chalet, qui dès sa création accélère l’érosion sous le chalet par une augmentation des vitesses de vent dans le passage. La zone de survitesse liée à la présence d’un passage sous les chalets débute pour un espace de l’ordre du mètre avant la façade au vent du chalet et se prolonge au-delà du passage par un jet d’air à grande vitesse. La vitesse est plus élevée que le vent environnant proche dans le passage étroit, mais cette différence diminue avec l’accroissement de la hauteur du passage. Notons aussi que pour le passage sur pilotis, la valeur de survitesses donnée ici pour le centre du bâtiment reste en soit relativement constante sur 90% de la largeur du passage…
En analysant le déplacement du sable dans la dune embryonnaire en création, on relève que sur la face au vent de la dune aval, les particules se déplacent par saltation : les vitesses d’air y sont plus élevé. On constate le déplacement du sable jusqu’au niveau de la crête de la dune. Une fois que la pente de la face abritée dépasse un certain angle d’équilibre, les particules retombent sous forme d’avalanches. Lorsque le sable dépasse la crête de dune, le déplacement s’arrête et le sable stagne. Une conséquence de ce transport de sable est le déplacement des dunes de sable en dehors de l’influence du jet d’air de la section de passage sous chalet et l’ensablement aval de la dune…
Les effets d’ensablement ont été analysés. On constate les zones d’accélération entre linéaires de chalet et les zones de protection au vent en aval. Ces zones sont caractérisées par des recirculations basse vitesse (rouleau) et la stagnation du sable.
Au- delà de la zone de jet, on retrouve une zone de grande protection au vent correspondant au sillage du bâtiment. On retrouve dans cette zone la création de dunes par stagnation du sable en zone morte.
La partie aval des chalets au vent est une zone déventée. L’effet de barre généré par un ensemble de bâtiments correspond au même principe que l’effet de barre pour un bâtiment isolé, mais les dimensions de la barre sont déterminées par la juxtaposition de différents bâtiments. Le tourbillon engendre une forte augmentation de la turbulence au sol, mais est synonyme de vitesse d’air réduite.
On relève une nette réduction des vitesses d’air en aval des échalas sur 12 fois la hauteur de ceux-ci pour un vent de 6 m/s. Les images ci-dessus (tube de courant) montrent les trajectoires suivies par le vent
Ainsi, on constate que l’efficacité des brises vents pour capter le sable va au-delà de leur simple hauteur. En fonction de la vitesse du sable, les particules en suspensions sont « happées » dans le sillage de la protection. Lorsque le sable retombe au sol, l’énergie cinétique du vent n’est plus suffisante pour entrainer la saltation (décollage) du sable ; on retrouve alors uniquement un déplacement à basse vitesse par reptation (roulement) au niveau de la surface. La conséquence de ces phénomènes est l’agrégation de sable à l’aval de la protection et la création dans le temps d’une dune de la hauteur de la protection.
Les écrans denses provoquent une forte réduction de la vitesse du vent sur une faible profondeur tandis que les écrans perméables réduisent la vitesse du vent dans une moindre mesure, mais sur une profondeur plus importante…