Morphologie du lit autour d’un obstacle soumis à un écoulement en couche mince Dynamics of the Bed Morphology Around an Obstacle in Shallow Flow Morphologie des Bettes um ein Hindernis, das einem Abfluss in dunner Schicht ausgesetzt wurde

RÉSUMÉ

Cet article décrit les résultats d'expériences menées en canal réduit sur la morphologie du lit autour d'un obstacle sphérique (diamètre: 7,2 cm) à demi-enfoui dans un lit de sable non cohésif (D50:0.56 mm). La profondeur des écoulements varie de 0,45 cm à 1,4 cm, la vitesse moyenne de 25 cm s-1 à 45 cm s^1 et le nombre de Froude de 0,8 à 1,6. La morphologie typique comprend une zone d'affouillement formant un croissant en amont et sur les côtés de l'obstacle et une zone d'accumulation plus ou moins complexe en aval de l'obstacle. La profondeur maximale du surcreusement est variable, mais décroît brusquement lorsque la vitesse critique de mise en mouvement des grains du lit est dépassée. La complexité de la structure sédimentaire s'explique par la différenciation et l'expansion latérale et verticale des vortex qui se sont formés autour de l'obstacle. À petite vitesse, les structures sédimentaires en aval de l'obstacle sont multiples et forment un angle obtus entre elles. Cet arrangement est conditionné par la position relative de la vague, des vortex et des zones de vitesse réduite de part et d'autre de l'obstacle, en plus de celle située directement en aval de l'obstacle. La zone de vitesse réduite est exploitée par un vortex secondaire qui se détache du vortex en "fer-à-cheval" et contourne l'obstacle. Le vortex secondaire est caractérisé par une vitesse élevée par rapport au fluide environnant; il en résulte une cannelure surplombée par deux zones d'accumulation. Cette forme est conservée jusqu'à ce que le vortex réintègre l'écoulement principal. Lorsque la vitesse augmente, l'angle de la vague frontale se resserre autour de l'obstacle et restreint la propagation latérale du vortex secondaire; la morphologie qui en résulte est un surcreusement en forme de croissant et une mince zone d'accumulation en aval de l'obstacle. Ces observations démontrent qu'il existe une relation spécifique aux écoulements en couche mince entre la structure sédimentaire et les paramètres hydrauliques de l'écoulement.

ABSTRACT

This paper reports the results of experiments conducted in a flume to observe the bed morphology around a spherical obstacle (diamètre: 7.2 cm) half-buried in a non-cohesive sand bed (D50:0.56 mm). Flow depths varied from 0.45 cm to 1.4 cm; average velocities ranged from 0.25 m s~1 to 0.45 m s~1 and the Froude number from 0.8 to 1.6. Each run resulted in a typical current crescent surrounding the front and sides of the obstacle followed by a complex zone of furrows and elongated deposits. Maximum scour depth is highly variable but is sharply reduced as critical velocity for sediment transport is exceeded. The complexity of the sedimentary structure is controlled by the location and expansion of the vortices which develop in the vicinity of the obstacle. The set of vortices is governed by fluid velocity which determines the position and angle of the frontal wave created by the presence of the obstacle and consequently the bed geometry. At low velocity, the wave is bent around the obstacle but forms a wide angle leaving a large low pressure zone on the sides of the obstacle. This zone allows a secondary vortex to detach from the horseshoe vortex immediately surrounding the obstacle. The secondary vortex produces a zone of erosion marked by a furrow and zones of sedimentation in the shear layers. As velocity increases, the sedimentary structure becomes a simple current crescent with a small sand shadow tail in the lee of the obstacle. This is caused by the refraction angle of the wave which becomes more acute and gradually surrounds the obstacle thereby constraining the lateral expansion of the secondary vortex. This relation between sedimentary structure and flow dynamics is particular to shallow flow environments and it bears interesting implications for sedimentologists.

ZUSAMMENFASSUNG

Dieser Artikel beschreibt die Ergebnisse von Experimenten, die in einem kunstlichen Kanal durchgefuhrt wurden, um die Morphologie des Bettes um ein kugelfôrmiges Hindernis zu beobachten (Durchmesser: 7,2 cm), das in ein Sandbett (D50: 0,56 mm) halb eingegraben war. Die Abflusstiefen variieren zwischen 0,45 cm bis 1,41 cm, die durchschnittliche Geschwindigkeit reicht von 25 cm s-1 bis 45 cm s-1 und die Froude-Zahl von 0,8 bis 1,6. Die typische Morphologie besteht aus einer Ausschùrfzone, die einen Halbmond oberhalb und auf den Seiten des Hindemisses bildet und einer mehr oder weniger komplexen Akkumulationszone unterhalb des Hindemisses. Die Ùbertiefung erreicht eine variable maximale Tiefe, aber sie nimmt drastisch ab, wenn die kritische Geschwindigkeit der Ingangsetzung des Sedimenttransports uberschritten wird. Die Komplexitat der Sedimentstruktur làsst sich durch die latérale und vertikale Differenzierung und Aus-dehnung der Wirbel erklàren, die sich um das Hindernis herum gebildet haben. Bei geringer Geschwindigkeit sind die Sedimentstrukturen unterhalb des Hindemisses vielfâltig und bilden zueinander einen stumpfen Winkel. Dièse Anordnung ist durch die relative Position der Welle, der Wirbel und der Geschwindigkeitszonen - vermindert auf den Seiten des Hindemisses, vermehrt direkt hinter dem Hindernis - bedingt. Die Zone verminderter Geschwindigkeit wird durch einen sekundâren Wirbel ausgenutzt, der sich von dem "Hufeisen" - Wirbel ablôst und das Hindernis umgeht. Der sekundâre Wirbel zeichnet sich durch eine erhôhte Geschwindigkeit gegenùber der umgebenden Flùssigkeit aus; das fùhrt zu einer Riefelung, welche durch zwei Akkumulationszonen ùberragt wird. Dièse Form wird Solange beibehalten bis der Wirbel wieder in den Hauptabfluss zurùckkehrt. Bei zunehmender Geschwindigkeit wird der frontale Winkel um das Hindernis enger und beschrânkt die latérale Ausbreitung des sekundâren Wirbels.