Expérience sur le toboggan à neige de Weissfluhjoch Davos
Les
mesures effectuées sur des avalanches réelles demandent beaucoup de moyens,
sont dangereuses et difficilement reproductibles. C'est pourquoi les chercheurs
du SLF étudient l'écoulement de la neige sur un toboggan à neige permettant de
reproduire les avalanches. Ils utilisent une caméra numérique ultrarapide pour
filmer dans la neige qui s'écoule la couche de cisaillement à proximité du sol,
particulièrement intéressante. En outre, ils mesurent les hauteurs
d'écoulement, ainsi que les forces de cisaillement et les forces normales au
sol, et ils testent de nouveaux capteurs, notamment des capteurs capacitifs de
densité. Ils seront utilisés par la suite sur des sites d'expérience à grande échelle, où des avalanches
réelles sont étudiées.
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Vue frontale du toboggan à neige du Weissfluhjoch
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Contexte
Les gradients verticaux de vitesse sont essentiels
pour l'évolution des écoulements. Les différences de vitesse sont
particulièrement importantes dans la couche de l'avalanche proche du sol,
appelée couche de cisaillement. Ici, l'avalanche coulante dissipe la plus
grande partie de son énergie par frottement des couches de neige les unes avec
les autres et avec le sol. Pour pouvoir mieux quantifier ces processus, les
scientifiques du SLF étudient spécialement la couche de cisaillement des
avalanches coulantes, grâce à des expériences sur le toboggan à neige. Les
résultats sont utilisés pour l'amélioration continue des modèles numériques
permettant de calculer les vitesses et longueurs de parcours des avalanches.
Méthodes et instruments
Les chercheurs utilisent une caméra numérique
ultrarapide pour filmer cette couche de cisaillement particulièrement
intéressante dans une avalanche à petite échelle. Ils peuvent ainsi observer à
l'œil nu les processus de frottement avec un très fort ralenti. À l'aide de
programmes informatiques très gourmands en temps de calcul, ils déterminent des
champs de vitesse bidimensionnels sur ces prises de vue avec une définition
temporelle et spatiale élevée, et peuvent en tirer des conclusions sur les
processus physiques dans la couche de cisaillement. En outre, ils mesurent sur
le parcours les hauteurs d'écoulement ainsi que les forces normales et forces
de cisaillement au sol, et testent des capteurs en cours de développement, par
exemple des capteurs de densité capacitifs, qui seront utilisés sur des sites d'essai à grande échelle
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Ilot de mesure avec caméra ultrarapide, stroboscopes et capteurs
optiques de vitesse
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Analyse des résultats de mesure
Grâce à des prises de vue ultrarapides, les chercheurs
tracent des profils de vitesse et étudient leur évolution sur le parcours de
l'avalanche. Ils peuvent ainsi identifier des sections différentes de
l'avalanche, notamment la tête, le corps et la partie terminale, grâce à ces
paramètres, aux coefficients de frottement déterminés expérimentalement et aux
hauteurs d'écoulement mesurées. D'autre part, ils étudient la manière dont la
température, la densité de la neige ou encore le volume de l'avalanche
modifient le comportement d'écoulement. Cela leur permet d'affiner notoirement
les calculs d'écoulement d'avalanches « réelles ».
Vidéos des expériences
