Équipe MécaFlu - Mécanique des Fluides

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Contribution au développement d’une méthode de mesure optique résolue en temps pour l’étude du transport sédimentaire

CAMPAGNE DE RECRUTEMENT 2020 - ED 269 MSII

Que ce soit du point de vue Européen ou plus récemment dans le cadre des Nations Unies, une priorité est d'assurer la disponibilité et la gestion durable de l'eau et de l'assainissement. Une gestion optimale des eaux de surface passe par l’évaluation de la charge de matières en suspension (MES) présents dans les écoulements urbains et naturels. Une mesure en temps réel de la concentration en MES, potentiellement polluantes, est obtenue par l’intermédiaire de la turbidité optique, technique de mesure massivement déployée sur le terrain.

Des publications récentes [Rymszewicz 2017, Voichik 2017] ainsi que nos propres travaux se basant sur des mesures optiques et acoustiques conjointes [Pallarès 2017], révèlent des incohérences dans les données optiques. Dans des situations exceptionnelles comme des périodes pluvieuses en assainissement ou encore des crues en rivière, les données de turbidité optique sont fausses et peuvent conduire à une sous-estimation massive de la concentration des matières en suspension. Cette mauvaise interprétation peut avoir de lourdes conséquences sur le traitement et la gestion des eaux. Dans le cadre de l’assainissement, seuls nos travaux, basés sur l’étude du signal acoustique rétrodiffusé par le milieu, mettent en doute les mesures de turbidité optique.

Avec le soutien de la SATT-Conectus, notre équipe est actuellement engagée dans la maturation d’une nouvelle technique de mesure en temps réel des concentrations en MES, fiable même en situation exceptionnelle et peu onéreuse destinée aux gestionnaires d’hydro-systèmes. Par conséquent, le but visé par cette thèse est l’élaboration d’une nouvelle approche instrumentale basée sur l’exploitation des signaux optiques obtenus par une méthode de mesure ultrarapide résolue en temps dans le domaine de la nanoseconde. Cette technologie permet également la mesure de la vélocité d’un fluide. La finalité de ces travaux est la livraison d’un prototype d’une instrumentation innovante capable de proposer des estimations de turbidité et/ou de concentrations conjointement à des mesures de vélocité. A l’heure actuelle, il n’existe aucun instrument commercial de ce type. Outre l’acquisition de données expérimentales, cette thèse focalisera sur l’analyse des données optiques et de leur inversion afin de proposer des modèles simples reliant le signal aux concentrations des particules en suspension, qui, combinées à la mesure de vélocité du fluide porteur permettra de remonter aux flux de particules dans l’écoulement.

Ces travaux seront effectués en étroite collaboration entre les équipes MécaFlu et SMH du Laboratoire ICube à Strasbourg. L’équipe MécaFlu maîtrise le développement instrumental et dispose de l’expertise de traitement et d’interprétation des signaux, l’équipe SMH maîtrise l’approche optique résolue en temps ultrarapide à faible coût dérivée de ses recherches sur l’imagerie médicale par voie optique.


Contact : A. Pallarès anne.pallares@unistra.fr

[Rymszewicz 2017] Rymszewicz, A., O'Sullivan, J. J., Bruen, M., Turner, J. N., Lawler, D. M., Conroy, E., & Kelly-Quinn, M. (2017). Measurement differences between turbidity instruments, and their implications for suspended sediment concentration and load calculations: A sensor inter-comparison study. Journal of Environmental Management, 199, 99.

[Pallarès 2017] Pallarès A. Burckbuchler M., Fischer S., Schmitt P. (2017) Suspended Sediment Monitoring: Comparison between Optical and Acoustic Turbidity, Proceedings of the 14th International Conference on Urban Drainage, Prague, 10-15 September 2017.

[Voichick 2017] Voichick N., Topping D.J, GriffithsR.E., (2018) Technical Note: False low turbidity readings during high suspended sediment concentrations, Hydrol. Earth Syst. Sci. Discuss.

Détermination des concentrations de matières en suspension en rivière et réseau d’assainissement par spectroscopie acoustique multi-moments

CAMPAGNE DE RECRUTEMENT 2020 - ED 269 MSII

La mesure en continu des concentrations en matières en suspension constitue un enjeu crucial dans de nombreuses applications industrielles ainsi que pour l‘étude plus fondamentale des mécanismes du transport solide. Parmi les applications majeures on peut noter : la mesure du transport de sédiments par les rivières lors de crues ou de chasses de barrage, la détermination des rejets particulaires au milieu naturel lors du fonctionnement de déversoirs d’orage ou encore l’optimisation de la gestion des usines d’eau potable ou des stations d’épuration. A l’heure actuelle la seule mesure en continue disponible et applicable « in situ » est basée sur la turbidité optique, technique qui nécessite la connaissance préalable de la granulométrie des particules. Le plus souvent la seule technique fiable de mesure consiste à effectuer des prélèvements puis à analyser les échantillons en laboratoire, méthode à la fois onéreuse et ne fournissant que des informations ponctuelles spatialement et temporellement.

Une nouvelle technique de mesure est basée sur la spectroscopie acoustique. Les spectres d’intensités moyennes rétrodiffusées pour un certain nombre de fréquences ultrasonores sont analysés pour déterminer simultanément la concentration totale et la distribution granulométrique des particules. Il a été démontré aussi bien théoriquement qu’expérimentalement qu’une telle démarche ne peut donner de résultats satisfaisants que dans la mesure où l’ensemble des particules ont sensiblement les mêmes géométries et impédances acoustiques. Or les particules présentes dans la plupart des suspensions naturelles présentent une large diversité de caractéristiques acoustiques rendant ainsi insuffisante la seule analyse des spectres d’intensité moyenne rétrodiffusées. Une première amélioration de la détermination granulométrique peut être obtenue par la prise en compte additionnelle du spectre d’atténuation mais s’avère encore insuffisante.

Ce projet de thèse a pour objectif l’amélioration des méthodes de mesure de concentration par spectroscopie ultrasonore un intégrant les moments d’ordres supérieurs à 1 dans l’analyse des caractéristiques acoustiques et granulométriques des particules et leur application aux mesures de matières en suspension en rivières et réseaux d’assainissement. En effet, à ce jour, seule l’intensité rétrodiffusée moyenne (moment d’ordre 1) est utilisée dans l’analyse granulométrique, or les moments d’ordre supérieurs sont eux aussi porteur d’une information indépendante et « gratuite » en termes de capteur. Cette information supplémentaire doit permettre de mieux prendre en compte la diversité des types de particules présentes dans les suspensions naturelles


Contact : P. Francois pierre.francois@unistra.fr

Thollet, F., Le Coz, J., Antoine, G., François, P., Saguintaah, L., Launay, M., Camenen, B. Influence of grain size changes on the turbidity measurement of suspended solid fluxes in watercourses Influence de la granulométrie des particules sur la mesure par turbidimétrie des flux de matières en suspension dans les cours d'eau](2013) Houille Blanche, (4), pp. 50-56.

Larrarte, F., François, P.“Attenuation of an ultrasonic beam by suspended particles and range of acoustic flow meters in sewer networks”(2012) Water Science and Technology, 65 (3), pp. 478-483.

Pallarès, A., François, P., Pons, M.-N., Schmitt, P.“ Suspended particles in wastewater: Their optical, sedimentation and acoustical characterization and modelling ”(2011) Water Science and Technology, 63 (2), pp. 240-247