Les phénomènes d'érosion et de transport de sédiments peuvent représenter une menace importante pour les activités humaines, les infrastructures et les écosystèmes. Par exemple, autour d'un pilier de pont ou de plateforme offshore, l'érosion peut endommager la structure et causer son effondrement. Malgré les risques encourus, une description physique du phénomène d'érosion au voisinage de structures reste incomplète à ce jour ; en particulier, le couplage entre la dynamique du fluide et le transport de particules solides est mal quantifié.

Nous étudions ce phénomène d'érosion expérimentalement, à petite échelle, dans un canal en forme d'hippodrome d'environ 2m de long pour 1m de large. Les expériences sont menées dans la section linéaire du canal (longueur : 0,6m ; largeur : 0.1m) au fond duquel se trouve un milieu granulaire composé de billes de verre de diamètre d=300µm. Le "pilier de pont" est un cylindre vertical de diamètre D compris entre 10 et 20mm, fixé au milieu du canal.

La présence du cylindre perturbe l'écoulement d'eau et est à l'origine de plusieurs tourbillons : un tourbillon en "fer à cheval" au pied du cylindre et des tourbillons de sillage en aval. Le seuil d'érosion du lit granulaire est abaissé par la présence de ces tourbillons, ce qui accroit l'affouillement à proximité du cylindre.
En variant la vitesse de l'écoulement d'eau, typiquement entre 0,1 et 0,3m/s, la dynamique d'érosion et les motifs générés sont différents, associés à différents écoulements au voisinage du cylindre. Juste au-dessus du seuil, l'érosion se produit principalement en aval du cylindre, due aux tourbillons de sillage, sur une dynamique lente de l'ordre de la dizaine d'heures. Aux vitesses plus élevées, un tourbillon en fer à cheval se forme autour du pied du cylindre : l'érosion se produit alors essentiellement au voisinage du cylindre avec une intensité beaucoup plus importante que précédemment sur des échelles de temps inférieures à 1h. Les effets respectifs de ces différents tourbillons sont étudiés séparément dans notre expérience en remplaçant une partie du lit granulaire amont par un fond rigide non érodable.

Les motifs d'érosion sont analysés au moyen d'un profilomètre laser monté sur une platine de déplacement horizontale et permettant d'obtenir des scans 3D du lit granulaire au cours des expériences. Cette analyse est couplée à des mesures PIV (Particle Image Velocymetry) pour mettre en évidence le couplage entre la dynamique de l'écoulement (champ de vitesse du fluide) et les motifs d'érosion observés.

Ce travail est soutenu par l'Agence National de la Recherche à travers le projet SSHEAR No. ANR-14-CE03-001.