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Mieux comprendre les phénomènes naturels de type nuées ardentes ou tempêtes de sable, grâce à la mesure acoustique des suspensions granulaires dans l'air turbulent

Publié le 8 octobre 2020 Mis à jour le 13 octobre 2020
Date(s)

le 8 octobre 2020

Brève scientifique.

Les tempêtes de sable, les avalanches de neige, les « nuées ardentes » des volcans, autant de phénomènes naturels représentant un risque pour les populations et dont la compréhension des mécanismes est un enjeu de sécurité. Ces phénomènes présentent la caractéristique commune d’être la résultante de particules solides transportées par un gaz turbulent, c’est-à-dire où la vitesse varie fortement d’un point à l’autre.

Les propriétés de ces suspensions, telles que la vitesse d’écoulement, la pression dynamique et la distance de parcours, sont, dans une large mesure, déterminées par la concentration de particules. Cependant, cette concentration reste difficile à mesurer expérimentalement en raison de l’opacité optique du milieu.

Les chercheurs du Laboratoire Magmas et Volcans (UCA-CNRS-IRD) et de l'Institut Langevin (ESPCI Paris-PSL-CNRS) ont mis au point une technique qui permet de mesurer par méthode acoustique la concentration solide locale dans des suspensions turbulentes d’air et de particules. Ils ont observé deux caractéristiques importantes de ces mélanges biphasés: le gaz turbulent met en suspension les particules jusqu’à une concentration critique (maximale), et cette concentration critique est contrôlée par la formation d’amas de particules.

 

Méthodologie

Ces résultats ont été obtenus en menant des expériences dans un conteneur rectangulaire dans lequel des billes de verre d'un diamètre de 77 ou 155 micromètres étaient suspendues par un flux d'air vertical ascendant et la propagation des ultrasons à travers la suspension était mesurée. La concentration des particules a ensuite été extraite à partir de l'atténuation et de la vitesse de phase des ondes ultrasonores sur la base de modèles de diffusion d’ondes acoustiques et d'hydrodynamique d’un milieu diphasique.

Illustration

Mesures acoustiques : (a) Dispositif expérimental. (b) Schéma du dispositif vu du petit côté. Les billes de verre sont suspendues par un flux d'air vertical injecté à la base du dispositif. La concentration des particules est mesurée dans le temps par sondage ultrasonique à l’aide d’un émetteur (D) et d’un récepteur (S).(c) Schéma du flux d’air à vitesse U nécessaire pour suspendre les billes de verre, et direction de l'ultrason (S. van den Wildenberg) © LMV


Cette étude apporte ainsi un nouvel outil permettant d’évaluer la concentration en particules solides dans des gaz turbulents, un facteur capital dans la détermination de leur vitesse d’écoulement, distance de parcours et l’ensemble de leurs processus fondamentaux. Ce point est particulièrement critique pour la compréhension, et donc la gestion, des phénomènes naturels comme par exemple les courants de densité pyroclastiques, communément appelés « nuées ardentes », mélange de particules et de gaz à haute température dévalant les flancs des volcans au cours d'éruptions explosives, dont l’observation directe est pratiquement impossible.


Source
van den Wildenberg, S., Jia, X. & Roche, O. Acoustic probing of the particle concentration in turbulent granular suspensions in air. Sci Rep 10, 16544 (2020). https://doi.org/10.1038/s41598-020-73427-z

 
Contact au LMV : Siet van den Wildenberg

Diffusion sur le site du CNRS : https://www.rhone-auvergne.cnrs.fr/fr/cnrsinfo/mieux-comprendre-les-phenomenes-naturels-de-type-nuees-ardentes-ou-tempetes-de-sable-grace