Étude expérimentale des émissions acoustiques générées par les écoulements granulaires - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2018

Experimental study of acoustic emissions from granular flows

Étude expérimentale des émissions acoustiques générées par les écoulements granulaires

Résumé

Les glissements de terrain sont des évènements potentiellement mortels et destructeurs. Cependant, ils restent mal compris du fait de la rareté des observations. Pour y remédier, il est possible de tirer partit des émissions acoustiques qu’ils génèrent. En effet, une unique station sismique peut couvrir une large zone en continu. Mais la difficulté est alors de traduire les émissions en dynamique d’écoulement. Des observations couplées des émissions acoustiques et de la dynamique sont alors nécessaires. Les expériences de laboratoire sont une possibilité. L’objectif de cette thèse est donc de trouver des corrélations entre la dynamique d’un écoulement à l’échelle du laboratoire et ses émissions acoustiques. Pour cela, nous analysons dans un premier temps l’énergie élastique rayonnée par l’impact d’une bille tombant sur un milieu granulaire. Cette situation modélise un éboulement où des blocs de pierre tombent sur une surface érodable. Nous mettons en évidence une décroissance exponentielle, en fonction de l’épaisseur de la surface érodable, de l’énergie cinétique de la bille convertie en énergie élastique. De plus, nous relions l’énergie élastique au rayon et à la vitesses de l’impactant au moment du choc à travers une loi d’échelle ajustée à partir de celle d’un impact sur une surface lisse. Enfin, nous quantifions les fluctuations d’énergie élastique provenant du milieu granulaire. Dans un second temps, nous explorons les émissions associées à des écoulements quasi-stationnaires et quasi-uniformes. Cela permet de nous affranchir des évolutions spatiales (dans le sens de l’écoulement) et temporelles de l’écoulement, et donc simplifier ses émissions acoustiques. Nous mettons en évidence une relation affine entre la puissance élastique rayonnée et la température granulaire de l’écoulement, mais aussi avec son nombre inertiel à mi-hauteur. Nous établissons ensuite un modèle phénoménologique permettant de retrouver la puissance élastique rayonnée totale à partir notamment des fluctuations de vitesse des billes constituant l’écoulement, ainsi qu’au nombre de chocs se produisant par unité de temps. Nous montrons de plus que ces chocs, du fait de leur cohérence, sont responsables d’une modulation d’amplitude du signal acoustique. Pour finir, nous nous rapprochons des véritables glissements de terrain en ajoutant des évolutions spatiales et temporelle aux écoulements granulaires. Pour cela, nous étudions des effondrements de piles de billes initialement piégées dans une calotte. Nous établissons tout d’abord des lois d’échelle entre le signal acoustique émis (énergie élastique rayonnée totale, relative, et fréquence moyenne) et les paramètres de l’écoulement (diamètre des billes, volume, rapport d’aspect initial, angle de la pente). Nous mettons ainsi en évidence que le diamètre des billes de l’écoulement change la fréquence moyenne du signal émis et l’énergie élastique de manière significativement différente de celle prédite par le contact de Hertz. Nous corrélons ensuite plus précisément la dynamique de l’écoulement à ses émissions acoustiques. Nous observons ainsi que la puissance élastique rayonnée dépend directement du taux d’énergie potentielle perdue par unité de temps. De plus, nous observons qu’elle est aussi reliée à l’énergie cinétique des billes constituant l’écoulement, vraisemblablement à travers le nombre de chocs entre billes par unité de temps.
Les glissements de terrain sont des évènements potentiellement mortels et destructeurs. Cependant, ils restent mal compris du fait de la rareté des observations. Pour y remédier, il est possible de tirer partit des émissions acoustiques qu’ils génèrent. En effet, une unique station sismique peut couvrir une large zone en continu. Mais la difficulté est alors de traduire les émissions en dynamique d’écoulement. Des observations couplées des émissions acoustiques et de la dynamique sont alors nécessaires. Les expériences de laboratoire sont une possibilité. L’objectif de cette thèse est donc de trouver des corrélations entre la dynamique d’un écoulement à l’échelle du laboratoire et ses émissions acoustiques. Pour cela, nous analysons dans un premier temps l’énergie élastique rayonnée par l’impact d’une bille tombant sur un milieu granulaire. Cette situation modélise un éboulement où des blocs de pierre tombent sur une surface érodable. Nous mettons en évidence une décroissance exponentielle, en fonction de l’épaisseur de la surface érodable, de l’énergie cinétique de la bille convertie en énergie élastique. De plus, nous relions l’énergie élastique au rayon et à la vitesses de l’impactant au moment du choc à travers une loi d’échelle ajustée à partir de celle d’un impact sur une surface lisse. Enfin, nous quantifions les fluctuations d’énergie élastique provenant du milieu granulaire. Dans un second temps, nous explorons les émissions associées à des écoulements quasi-stationnaires et quasi-uniformes. Cela permet de nous affranchir des évolutions spatiales (dans le sens de l’écoulement) et temporelles de l’écoulement, et donc simplifier ses émissions acoustiques. Nous mettons en évidence une relation affine entre la puissance élastique rayonnée et la température granulaire de l’écoulement, mais aussi avec son nombre inertiel à mi-hauteur. Nous établissons ensuite un modèle phénoménologique permettant de retrouver la puissance élastique rayonnée totale à partir notamment des fluctuations de vitesse des billes constituant l’écoulement, ainsi qu’au nombre de chocs se produisant par unité de temps. Nous montrons de plus que ces chocs, du fait de leur cohérence, sont responsables d’une modulation d’amplitude du signal acoustique. Pour finir, nous nous rapprochons des véritables glissements de terrain en ajoutant des évolutions spatiales et temporelle aux écoulements granulaires. Pour cela, nous étudions des effondrements de piles de billes initialement piégées dans une calotte. Nous établissons tout d’abord des lois d’échelle entre le signal acoustique émis (énergie élastique rayonnée totale, relative, et fréquence moyenne) et les paramètres de l’écoulement (diamètre des billes, volume, rapport d’aspect initial, angle de la pente). Nous mettons ainsi en évidence que le diamètre des billes de l’écoulement change la fréquence moyenne du signal émis et l’énergie élastique de manière significativement différente de celle prédite par le contact de Hertz. Nous corrélons ensuite plus précisément la dynamique de l’écoulement à ses émissions acoustiques. Nous observons ainsi que la puissance élastique rayonnée dépend directement du taux d’énergie potentielle perdue par unité de temps. De plus, nous observons qu’elle est aussi reliée à l’énergie cinétique des billes constituant l’écoulement, vraisemblablement à travers le nombre de chocs entre billes par unité de temps.
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Dates et versions

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Identifiants

  • HAL Id : tel-03104582 , version 1

Citer

Vincent Bachelet. Étude expérimentale des émissions acoustiques générées par les écoulements granulaires. Géophysique [physics.geo-ph]. Institut de Physique du Globe de Paris, 2018. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03104582⟩
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