Étude expérimentale de l'impact de goutte sur un lit granulaire

Les impacts de gouttes d’eau sur des milieux granulaires représentent un phénomène omniprésent dans la nature, en particulier avec les évènements de pluie, et engendrent une dynamique complexe dépendant de multiples paramètres. Avec le contexte du réchauffement climatique, les évènements de pluie extrêmes augmentent en intensité et en fréquence, nécessitant l'emploi de modèles prédictifs pour protéger la population et les infrastructures. S'appuyant sur ce contexte, cette thèse expérimentale se concentre sur la caractérisation des déformations induites par les impacts de gouttes d'eau sur des milieux granulaires secs et cohésifs, avec l'ambition de participer à une meilleure compréhension des mécanismes associés. L’objectif de ce manuscrit est d’analyser, de manière quantitative, les processus dynamiques lors de l'impact d'une goutte sur un substrat granulaire afin de caractériser le diamètre du cratère associé au volume érodé de sol. Après une présentation détaillée des éléments de la littérature en lien avec les impacts sur diverses surfaces, en montrant le lien avec les caractéristiques des impacts sur un milieu granulaire, nous présentons notre approche expérimentale. Les résultats sur à la formation et l’évolution du cratère résultant de l’impact d’une goutte d’eau sur un lit granulaire non cohésif sont ensuite discutés. En particulier, l’influence de deux paramètres est explorée : le nombre de Weber (We) de la goutte représentant le rapport entre son inertie et la force de rappel capillaire et le diamètre des grains dg du substrat. Nous montrons le lien entre ces paramètres de contrôle et le diamètre adimensionné du cratère formé, sa profondeur, et l'effet dynamique de la mouillabilité apparente du substrat et du splash, i.e. l'atomisation de la couronne de fluide. Ainsi, dans le régime élastique, le diamètre final adimensionné du cratère Dmax/D croit en We^{1/4}, alors que dans un régime de splash, Dmax/D est constant et ne dépend plus de We. Ensuite, une attention particulière est portée à la dynamique de formation du cratère à travers l'étude de la couronne de fluide autour du point d’impact, dont la hauteur et la propagation varient en fonction des propriétés du milieu granulaire et de la goutte. Enfin, la thèse aborde les impacts sur des milieux granulaires cohésifs, où la présence d'interactions capillaires entre grains modifie significativement la dynamique de formation du cratère. Ainsi, nous montrons que la cohésion au sein du substrat granulaire entraîne des cratères plus petits, avec une dynamique qui dépend du nombre de ponts capillaires. Les effets de la fraction de saturation en eau du substrat en fonction du matériau des grains sont également examinés, mettant en évidence un comportement complexe qui dépend à la fois de la quantité de fluide interstitiel et de la nature du milieu (silice ou polystyrène). Cette approche expérimentale apporte une contribution à la compréhension des processus de déformation des milieux granulaires soumis à des impacts liquides et ouvre des perspectives sur des applications allant de la géophysique aux procédés industriels.