Simulations numériques de grains en interaction avec un fluide: transport de sédiment et rides éoliennes

Nous avons développé des simulations numériques de grains en interaction avec un fluide. La dynamique des grains suit la méthode des éléments discrets (DEM), tandis que l'hydrodynamique est décrite à l'échelle continue au moyen d'équations RANS. Avec ce modèle, nous avons étudié le transport de grain par un écoulement, et plus particulièrement la transition entre le transport en saltation (cas `éolien') et le transport par charriage (cas `aquatique') lorsque le rapport de densité entre grain et fluide est varié [1]. Ces simulations nous permettent d'identifier les mécanismes de rétroaction du transport sur l'écoulement et de comprendre l'origine des lois d'échelle entre le flux de sédiment et la contrainte basale (le nombre de Shields). Ce même modèle est également capable de reproduire l'apparition et la croissance spontanée de rides éoliennes [2]. En accord avec les expériences sur le terrain et en soufflerie, on trouve que leur longueur d’onde initiale et leur vitesse de propagation croissent linéairement avec la vitesse du vent. Nous proposons un nouveau mécanisme de formation, impliquant des trajectoires de grains ‘résonantes’, c’est-à-dire accordée à la longueur d’onde des rides, ainsi qu'une `couche collisionnelle' à l’interface entre le lit de grains et la couche de transport. Nous montrons également que le produit de la longueur d’onde et de la vitesse des rides donne indirectement le flux de sédiment, ce qui ouvre l’intéressante perspective de pouvoir mesurer les transferts de sable par télédétection, sur les dunes de Mars en particulier. Finalement, nous discuterons la récente découverte de structures sédimentaires ayant l'apparence de rides sur la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko.

[1] O. Durán, B. Andreotti and P. Claudin, Numerical simulation of turbulent sediment transport, from bed load to saltation, Phys. Fluids 24, 103306 (2012).

[2] O. Durán, P. Claudin and B. Andreotti, Direct numerical simulations of aeolian sand ripples, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 111, pp 15665-15668 (2014).