[PGRN] [Programme de recherche départemental]

Projet CG38 - PGRN piloté par le Cemagref ETNA

Titre du projet

Modélisation physique dans l'air des avalanches aérosol

Type d'aléa
Glace, neige et avalanches   
Année

1998

Mots-clés
Avalanche - Aérosol - Modélisation physique - Etude théorique
Champs disciplinaires
Nivologie, mécanique des fluides


1) Organismes et auteurs


Organisme pilote
Cemagref ETNA
Organisme(s) associé(s)
-
Coordonnateur
Philippe REVOL (proposition)
Participants
 Marie RASTELLO (rapport)


2) Contexte du projet


Site(s) d'étude
-
Contexte de l'étude

Les avalanches aérosol ne sont pas les plus courantes, mais elles sont souvent impliquées dans des catastrophes. En Isère on se souvient notamment de l’avalanche traversant le village de Vaujany (1978) et de l’épisode avalancheux du 20 janvier 1981 (Auris, Clavans, La Morte), toutes ces avalanches étaient de type aérosol. A titre d’exemple, en février 1999, une avalanche en aérosol est descendue dans le couloir de Taconnaz (Haute-Savoie). Elle a endommagé deux dents en béton armé du dispositif paravalanche (le plus grand d’Europe) construit en pied de couloir pour protéger le fond de vallée. Pourtant ces dents ont été dimensionnées pour encaisser des efforts considérables (de l’ordre de 300 kPa). Leurs dimensions étaient imposantes : 7 m de haut, 10 de long, 1.5 m de large.

Les avalanches de neige de type aérosol font partie des courants de turbidité : le fluide lourd est une suspension de particules dans le fluide ambiant. On peut schématiquement considérer trois phases :

1/ La phase initiale : mise en suspension de la neige dans l’air. On sait encore peu de choses sur ce mécanisme qui semble intervenir à des vitesses de l’ordre de 10 m/s.

2/ La phase d’écoulement : l’écoulement prend la forme d’un nuage, composé de grandes bouffées turbulentes. L’échelle de hauteur est de plusieurs dizaines, voire centaines de mètres. Le mouvement est alors soumis à deux mécanismes principaux : (1) L’entraînement de l’air ambiant, qui a tendance à faire augmenter sa taille et décroître sa densité moyenne ; (2) L’incorporation de neige le long de sa surface d’écoulement. La fraction entraînée joue à la fois un rôle moteur car elle accroît l’excès de densité par rapport au fluide ambiant, et un rôle résistant car la mise en suspension consomme une partie de l’énergie cinétique de l’avalanche.

3/ La phase d’arrêt. Plusieurs mécanismes sont possibles. La densité de l’aérosol diminue jusqu’à devenir très proche de celle du fluide ambiant, l’effet moteur dû à la différence de densité s’annule et l’avalanche meurt par dilution. La vitesse diminue et les particules sédimentent. Le changement de pente joue évidemment un rôle dans ce processus.

Pour étudier les avalanches aérosols, il y a trois voies possibles d’investigation :

1/ Etude d’écoulements naturels en vraie grandeur : c’est aléatoire, lourd, dangereux, cher, complexe, même quand on sait les déclencher. Un suivi est opéré en France au col du Lautaret (Hautes-Alpes) et en Suisse dans la vallée de la Sionne (Valais).

2/ Etude par modèle numérique : il faut pour cela disposer de modèles permettant une analyse à l’échelle microscopique.

3/ Etude par essais en laboratoire ou modélisation physique : c’est la voie suivie depuis plus d’une vingtaine d’années au LEGI, puis au Cemagref en France, puis ensuite depuis la fin des années 1980 par les suisses et les japonais.

Cette étude s’intéresse à la troisième voie. Dans cette démarche, la principale difficulté concerne la similitude : pour que l’on puisse extrapoler des grandeurs mesurées sur modèle réduit aux écoulements naturels, il faut disposer d’un certain nombre de règles permettant de passer d’une échelle à l’autre. Ces règles sont constituées d’une série de nombres sans dimension, appelés critères de similitude, représentant des rapports de grandeur physique, qui doivent être constants d’une échelle à l’autre. La majeure partie des résultats disponibles reposaient sur des simulations à l’aide d’écoulements d’eau salée dans de l’eau claire. Il en a été déduit des lois d’accroissement de l’avalanche selon la pente, l’évolution de sa densité, sa vitesse. Ces expériences ont été menées dans le cadre d’une similitude que l’on peut qualifier de globale entre l’écoulement naturel et l’écoulement à échelle réduite. En effet les critères de similitude ont été établis en prenant uniquement  les caractéristiques globales de l’avalanche. Il s’agissait donc pour aller plus loin de considérer l’avalanche à un niveau plus bas.

Programme plus vaste
? (cette étude s'inscrit dans le cadre des recherches menées au Cemagref sur la modélisation physique des avalanches...)
Initiation du projet
Projet initié par le PGRN ?
Participation du PGRN ?
Montant du financement (k€)
7,622 k€ (50 kF)
Part du CG38 - PGRN
? %
(Co)-Financements
?
Appréciation du rôle du financement CG38 - PGRN
?


3) Objectifs, méthodes et résultats

Objectifs

S’intéresser à l’avalanche aérosol non plus au niveau global mais à l’échelle du grain de neige et de son interaction avec le fluide ambiant, c’est-à-dire considérer l’avalanche comme un écoulement biphasique.

Cela permet ainsi d’étudier plus en détail les phénomènes tels que la sédimentation (effet sur la dynamique de l’avalanche), la reprise de neige (moteur de l’avalanche) et l’interaction avec les obstacles (intérêt en ingénierie).
Méthodologie

Etude théorique préalable à la modélisation physique (expériences avec une suspension de particules dans l’air), nécessaire pour avoir accès à des données plus fines que celles existant déjà de par la similitude globale :

1) En se plaçant à l’échelle microscopique. Les principales hypothèses sont entre autres que les particules sont sphériques et que la turbulence est homogène et isotrope. La démarche a été ensuite d’identifier toutes les forces exercées sur les particules et sur le fluide porteur, puis d’évaluer les ordres de grandeur dans un but de simplification des équations.

2) Etude plus précise de la taille des grains de neige dans une avalanche aérosol. En effet, l’étude de l’interaction entre les particules de neige et la turbulence du fluide ambiant est d’une très grande importance dans l’étude des mécanismes d’une avalanche aérosol, et la taille des particules de neige influe fortement. Analyse un à un de tous les phénomènes physiques qui interviennent dans une avalanche depuis l’arrachement des grains de neige par le frottement de l’avalanche jusqu’à leur sédimentation qui diffère suivant la taille des grains, en passant par la taille de grains présents initialement dans le manteau neigeux.
Résultats

1) Obtention d’une quinzaine de critères de similitude, parmi lesquels sont distingués deux grandes classes :
- les critères qualifiés de macroscopiques, c’est-à-dire ne faisant intervenir que les grandeurs de type longueur, hauteur, vitesse caractéristiques de l’écoulement ;
- les critères qualifiés de microscopiques, qui font en plus intervenir des caractéristiques telles que la taille et la masse volumique des grains de neige, ainsi que la vitesse de « chute » des grains par rapport à l’air.
La 1ère classe se réfère plutôt à la similitude concernant des termes provenant de la turbulence, de l’influence de la gravité… La 2de concerne les termes provenant de l’interaction proprement dite entre air et particules, (en particulier par la force de traînée). Il est clair qu’aucune expérimentation ne saurait satisfaire un nombre aussi élevé de critères de similitude (il faudrait donc les regrouper…).

2) Une étude de terrain était prévue pour confirmer les résultats théoriques établis.


4) Débouchés du projet

Utilisateurs finaux potentiels
Chercheurs en nivologie (modélisateurs)…
Production scientifique
Production de connaissances théoriques
Produits délivrables
-
Partenariats
*
Retombées du projet
Etude des différents groupes de critères que l’on pourrait respecter en même temps (1er volet de l’étude théorique), et quels types d’expériences il faudrait monter dans les différents cas (avec étude de faisabilité). Ce travail devait faire l’objet d’une publication par la suite...


5) Valorisation du projet

Publications et communications
Article soumis à l’IGS2000 (International Glaciology Society) ???
Pages Web
-

 

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