Mieux comprendre les ph¨¦nom¨¨nes naturels de type nu¨¦es ardentes ou temp¨ºtes de sable, gr?ce ¨¤ la mesure acoustique des suspensions granulaires dans l'air turbulent
Br¨¨ve scientifique.
Les temp¨ºtes de sable, les avalanches de neige, les ? nu¨¦es ardentes ? des volcans, autant de ph¨¦nom¨¨nes naturels repr¨¦sentant un risque pour les populations et dont la compr¨¦hension des m¨¦canismes est un enjeu de s¨¦curit¨¦. Ces ph¨¦nom¨¨nes pr¨¦sentent la caract¨¦ristique commune d¡¯¨ºtre la r¨¦sultante de particules solides transport¨¦es par un gaz turbulent, c¡¯est-¨¤-dire o¨´ la vitesse varie fortement d¡¯un point ¨¤ l¡¯autre.
Les propri¨¦t¨¦s de ces suspensions, telles que la vitesse d¡¯¨¦coulement, la pression dynamique et la distance de parcours, sont, dans une large mesure, d¨¦termin¨¦es par la concentration de particules. Cependant, cette concentration reste difficile ¨¤ mesurer exp¨¦rimentalement en raison de l¡¯opacit¨¦ 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 m¨¦thode acoustique la concentration solide locale dans des suspensions turbulentes d¡¯air et de particules. Ils ont observ¨¦ deux caract¨¦ristiques importantes de ces m¨¦langes biphas¨¦s: le gaz turbulent met en suspension les particules jusqu¡¯¨¤ une concentration critique (maximale), et cette concentration critique est contr?l¨¦e par la formation d¡¯amas de particules.
M¨¦thodologie
Ces r¨¦sultats ont ¨¦t¨¦ obtenus en menant des exp¨¦riences dans un conteneur rectangulaire dans lequel des billes de verre d'un diam¨¨tre de 77 ou 155 microm¨¨tres ¨¦taient suspendues par un flux d'air vertical ascendant et la propagation des ultrasons ¨¤ travers la suspension ¨¦tait mesur¨¦e. La concentration des particules a ensuite ¨¦t¨¦ extraite ¨¤ partir de l'att¨¦nuation et de la vitesse de phase des ondes ultrasonores sur la base de mod¨¨les de diffusion d¡¯ondes acoustiques et d'hydrodynamique d¡¯un milieu diphasique.
Mesures acoustiques : (a) Dispositif exp¨¦rimental. (b) Sch¨¦ma du dispositif vu du petit c?t¨¦. Les billes de verre sont suspendues par un flux d'air vertical inject¨¦ ¨¤ la base du dispositif. La concentration des particules est mesur¨¦e dans le temps par sondage ultrasonique ¨¤ l¡¯aide d¡¯un ¨¦metteur (D) et d¡¯un r¨¦cepteur (S).(c) Sch¨¦ma du flux d¡¯air ¨¤ vitesse U n¨¦cessaire pour suspendre les billes de verre, et direction de l'ultrason (S. van den Wildenberg) ? LMV
Cette ¨¦tude apporte ainsi un nouvel outil permettant d¡¯¨¦valuer la concentration en particules solides dans des gaz turbulents, un facteur capital dans la d¨¦termination de leur vitesse d¡¯¨¦coulement, distance de parcours et l¡¯ensemble de leurs processus fondamentaux. Ce point est particuli¨¨rement critique pour la compr¨¦hension, et donc la gestion, des ph¨¦nom¨¨nes naturels comme par exemple les courants de densit¨¦ pyroclastiques, commun¨¦ment appel¨¦s ? nu¨¦es ardentes ?, m¨¦lange de particules et de gaz ¨¤ haute temp¨¦rature d¨¦valant les flancs des volcans au cours d'¨¦ruptions 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
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