Academic literature on the topic 'Mécanique granulaire'

Les matériaux granulaires de fondations de chaussées jouent un rôle structural important mais sont aussi affectés par l’environnement. La granulométrie et la source de granulats vont changer la façon dont ces matériaux réagissent à ces sollicitations. Cette étude cherche donc à évaluer la performance globale des matériaux granulaires face aux contraintes mécanique et environnementale. Le module réversible, la déformation permanente, la gélivité et la conductivité hydraulique ont été mesurés pour six granulométries et trois sources. Les résultats montrent l’effet significatif de la granulométrie et de la source dans le contexte d’un fuseau granulaire et permettent de suggérer des fenêtres de performance granulométrique adaptées à des contextes de performance typiques. Ces effets de la granulométrie et de la source peuvent atteindre des facteurs 14 et 7 d’un point de sensibilité aux contraintes environnementales et des facteurs 3 et 2,5 d’un point de vue de la sensibilité aux contraintes mécaniques.

Cette étude porte sur une technologie de densification des boues appliquée à un procédé à boues activées continue. Par la combinaison d'une sélection microbienne (zone anaérobie) et physique (extraction sélective par hydrocyclones), cette technologie permet de générer une proportion significative de biomasse sous forme granulaire, améliorant ainsi la vitesse de sédimentation de la suspension. L'objectif est ici d'évaluer numériquement le potentiel d'un procédé utilisant cette technologie pour répondre à des scénarios de conception et d'exploitation plus contraintes : augmentation de la concentration en boues dans le bassin d'aération (panne d'extraction, problème sur l'évacuation des boues), réduction du taux de recirculation, hypothèses plus agressives quant aux vitesses ascensionnelles praticables. Pour ce faire, le clarificateur objet de l'étude a été modélisé en mécanique des fluides numériques, en intégrant les paramètres de sédimentation des boues densifiées. Ces simulations permettent d'évaluer la réponse de l'ouvrage en matière d'évolution du voile de boues et d'épaississement de la suspension. Les résultats obtenus démontrent le maintien des performances de clarification à forte concentration de travail (6 gMES/L), ou en appliquant un taux de recirculation très faible (15 %), avec une boue densifiée pouvant s'épaissir jusqu'à environ 30 gMES. /L. Également, la boue densifiée normalement concentrée permet d'admettre des surcharges hydrauliques jusqu'à 1,0 m/h de manière continue, ou de 1,5 à 2,0 m/h si le taux de recirculation est fixé à 30 et 32 % respectivement. Les résultats obtenus lorsque la surcharge hydraulique avoisine les 2 m/h sont à prendre avec précaution, car la concentration en matières en suspension (MES) de sortie prédite est proche de la limite réglementaire (24 mgMES/L). Globalement, les résultats de cette étude indiquent la possibilité de reconsidérer de manière plus optimale le dimensionnement des clarificateurs secondaires et du procédé à boues activés lors de la mise en œuvre de la densification.

Le comportement des matériaux granulaires humides hétérogènes, éléments incontournables de nombreux processus industriels et géophysiques, résiste encore à une modélisation complète. L’interaction des grains avec une phase liquide doit être éclaircie afin d’optimiser les procédés de mélange, notamment la dispersion des grains d’un agrégat cohésif. Modéliser ces interactions permettrait aussi de mieux décrire des éboulements granulaires dont les propriétés mécaniques évoluent avec des variations de teneur en liquide et de répartition spatiale. Des recherches actuelles se tournent vers la compréhension des échanges dans ces matériaux, pour isoler les mécanismes par lesquels des grains se mélangent à un liquide ou à une phase granulaire humide.

L’article, résultant d’un travail de long terme sur la physique des géo-matériaux granulaires et la pratique du génie civil de grandes infrastructures, synthétise une vision nouvelle du comportement mécanique de ces matériaux, à partir d’approches dissipatives micromécaniques originales. Après le contexte et les hypothèses-clé, il présente les aspects essentiels des structures dissipatives induites par la friction de contact élémentaire, associée à des spécificités de mécanique statistique dans ces matériaux en mouvement quasi-statique, et leur expression multi-échelle par des relations tensorielles fortes : les équations de la dissipation d’énergie résultant de la friction. Sur cette base, est ensuite établi un large ensemble de propriétés pratiques d’usage général en génie civil, incluant : le critère de rupture, le couplage résistance au cisaillement/variations de volume, la compaction cyclique, l’équilibre géostatique « au repos »… Bien que l’essentiel de l’article soit focalisé sur les caractères induits par la friction de contact, une dernière section présente d’autres propriétés-clé induites par la rupture des granulats, autre processus dissipatif après la friction de contact. Ces propriétés incluent des incidences explicites sur les effets d’échelle dans le comportement structural d’ouvrages, vérifiées sur de grands ouvrages.

La détermination des coefficients de poussée et de butée constitue encore un enjeu majeur pour le dimensionnement des murs et des écrans de soutènement. Il est d’usage de déterminer ces coefficients en milieux pesants au moyen des tables de Caquot et Kerisel (1948) [Caquot A, Kerisel J. 1948. Tables de butée, de poussée et de force portante des fondations. Paris : Gauthier-Villars.] et Kerisel et Absi (1990) [Kerisel J, Absi E. 1990. Tables de poussée et de butée des terres. Paris : Presse de l’École Nationale des Ponts et Chaussées.] dont les valeurs sont calculées à partir de la théorie de Boussinesq (1876) [Boussinesq J. 1876. Essai théorique sur l’équilibre des massifs pulvérulents comparé à celui des massifs solides et sur la poussée des terres sans cohésion. Bruxelles : Hayez.]. Afin d’illustrer pratiquement la résolution des équations différentielles de cette théorie, cet article présente un exemple de méthode d’intégration numérique en exposant les différentes étapes suivies. Les résultats de cette méthode sont comparés à ceux de Caquot, Kerisel et Absi d’une part et de Sokolowski (1965) [Sokolowski VV. 1965. Statics of granular media. Oxford: Pergamon Press.] d’autre part. L’objectif est de revenir de manière originale et vulgarisée sur un problème complexe dont les sources sont de plus en plus rarement mises en avant. Il s’agit ainsi de permettre à chaque ingénieur qui utilise presque quotidiennement les valeurs des coefficients de poussée et de butée de mieux saisir leur origine et leur sens physique en se reportant le cas échéant à l’œuvre originale de Caquot et Kerisel (1949) [Caquot A, Kerisel, J. 1949. Traité de mécanique des sols. Paris : Gauthier-Villars.].

La côte de Mboro, partie intégrante de la Grande Côte du Sénégal, est un creuset de territoires porteurs d’enjeux socio-économiques. Ces territoires sont formés d’écosystèmes supports de l’économie agricole maraîchère en sus des activités inhérentes à la littoralisation de la vie. C’est un espace qui est soumis aux facteurs de la morphodynamique du système de dunes littorales. Ce sont des facteurs agents du risque vecteurs de la dynamique d’ensablement en cours. L’objectif de cet article est de déterminer la granulométrie du substrat dunaire afin d’apprécier sa sensibilité au vent, d’une part, et de mesurer les enjeux socio-économiques du potentiel agronomique maraîcher à Mboro, d’autre part. Dans ce cadre, la méthodologie est basée sur un échantillonnage de sol, l’analyse granulométrique par tamisage et des enquêtes socio-économiques in situ. Compte tenu de la sensibilité granulaire des sédiments à la déflation face au potentiel agronomique des Niayes1 à Mboro, une recherche axée sur l’intensité du risque de dégradation mécanique des profils pédologiques est justifiée dans cet environnement aérologique favorable à la déflation éolienne et sur l’activité économique autour des 1Bas-fonds entre le système de dunes littorales et ogoliennes (cuvettes maraichères).Niayes. Les résultats ont montré une granulométrie globalement fine, soit plus 90 % du poids des échantillons traités susceptibles au mode de transport par saltation et par suspension éolienne, et un potentiel cultural de quelque 14 variétés. Ce qui témoigne des enjeux de la recherche géomorphologique pour les actions d’aménagement du territoire.

La compréhension et la maîtrise des facteurs qui gouvernent le traitement thermique des milieux granulaires sont nécessaires dans plusieurs applications de l’industrie chimique et pharmaceutique. La cinétique des réactions chimiques qui se produisent au sien des milieux granulaires carbonatés à haute température présente des caractéristiques spécifiques. Elle couvre une grande partie de la réactivité chimique qui est principalement irréversible. L’objet de cet article est de modéliser ces spécificités en s’intéressant aux thématiques thermo-hydro-mécaniques, aux phénomènes de transport et aux réactions chimiques dues aux dégagements de dioxyde de carbone (CO2) et au changement de phase eau - vapeur. Ces lois ont toutes une origine phénoménologique. Compte tenu de la complexité des mécanismes de transfert dans le milieu granulaire, il a été cependant nécessaire d’avoir recours à des hypothèses simplificatrices destinées à réduire le nombre des paramètres intervenant dans la modélisation.

Les systèmes de stockage d'énergie thermique sont des éléments centraux de divers types de centrales de production d'énergie fonctionnant à l'aide de sources d'énergie renouvelables. Ces systèmes de stockage thermique de type solide/fluide peuvent être considérés comme une solution rentable dans les centrales solaires à concentration. Un tel dispositif est constitué d'un réservoir rempli d'un lit granulaire à travers lequel circule un fluide caloporteur. Cependant, dans de tels dispositifs, le réservoir pourrait être soumis à une accumulation de contraintes thermiques au cours des cycles de chargement et de déchargement en raison de la dilatation thermique différentielle entre le milieu granulaire et la paroi du réservoir. Cette thèse a été consacrée à l'étude du comportement thermomécanique du lit granulaire à l'intérieur d'un réservoir de stockage thermique de type régénérateur solide/fluide. Pour atteindre cet objectif, deux approches ont été suivies : les approches numériques et expérimentales. Un modèle numérique basé sur la méthode des éléments discrets a été développé pour décrire le comportement du réservoir sous cyclage thermique. L'évolution des contraintes appliquées aux parois de la cuve au cours des cycles thermiques, est étudiée en tenant compte à la fois des charges thermiques et mécaniques, ainsi que de la cinématique du milieu granulaire à l'échelle des particules (c'est-à-dire des éléments discrets) et de la déformation thermo-mécanqiue du réservoir. Des simulations ont été effectuées pour différentes configurations thermiques (chauffage/refroidissement homogène du réservoir sur sa hauteur ou gradient vertical de température) et différents cas de condition limite (paroi rigide, paroi du réservoir avec un coefficient de dilatation thermique supérieur au lit de roche ou inversement). Le comportement du réservoir dépend des conditions thermiques et conditions aux limites imposées. De plus, un prototype de thermocline a été conçu et construit au sein du laboratoire au CEA, visant à étudier l'accumulation de contraintes sur les cycles thermiques. Le dispositif expérimental, appelé ESPERA, est équipé de dispositifs de mesure de force installés à différentes hauteurs sur la paroi du réservoir. Les dispositifs de mesure de force ont été développés et calibrés au CEA. Leur sensibilité a également été testée en développant un autre banc expérimental, P'tit- Pousse. Des essais expérimentaux ont été réalisés permettant de prouver l'accumulation des contraintes au cours des cycles. Finalement, une comparaison entre les résultats numériques et les premiers résultats expérimentaux obtenus en fin de thèse est proposée
Thermal Energy Storage (TES) systems are central elements of various types of power plants operated using renewable energy sources. Packed bed TES can be considered as a cost effective solution in concentrated solar power plants (CSP). Such a device is made of a tank filled with a granular bed through which a heat-transfer fluid circulates. However, in such devices, the tank might be subjected to an accumulation of thermal stresses during cycles of loading and unloading due to the differential thermal expansion between the filler and the tank wall. This research was devoted to investigate the thermo-mechanical behavior of the granular bed inside a packed bed TES tank. To achieve this objective, two approaches were undertaken in this work, i.e. numerical and experimental. A numerical model was defined to describe the tank's behavior under thermal cycling based on the discrete element method (DEM). The evolution of tank wall stresses over thermal cycles, taking into account both thermal and mechanical loads, as well as the kinematics of the granular material at the particles scale (i.e. discrete elements), are studied here. The deformability of the tank itself under thermo-mechanical loads is also included in the numerical model. Simulations were performed for different thermal configurations (i.e. the tank is heated homogeneously along its height or with a moving vertical gradient of temperature) and different boundary condition cases (i.e. rigid wall, tank wall with a higher thermal expansion coeficient than the bed or inversely). The behavior of the tank is dependent on the imposed thermal and boundary conditions. In addition to this, a thermocline prototype was designed and constructed at the CEA laboratory, aiming at studying the stress accumulation over the thermal cycles. The experimental setup, called ESPERA, is equipped with force measurement devices, installed at different height positions on the wall. The force measurement devices were developed and calibrated at the CEA. Their sensitivity was also tested using a different developed setup, P'tit-Pousse. Experimental tests were carried out proving the stress accumulation over the cycles. Eventually, a comparison between the numerical results and the lately-obtained preliminary experimental measurements is proposed

Afin d'optimiser la capacité des batteries lithium-ion, l'incorporation de silicium en tant que matériau actif de l'anode est une solution intéressante. Toutefois, la forte variation volumique de ce matériau lors de son alliage avec le lithium rend son intégration délicate. En effet, la variation volumique crée un effet de « respiration » de la cellule, au rythme des cycles de charge et de décharge. Cela induit alors des contraintes mécaniques potentiellement néfastes à la durée de vie et à la sécurité de la batterie. Les modélisations actuelles de ce phénomène manquent encore à le décrire correctement, en particulier l’expansion irréversible à chaque cycle. Ces approches sont majoritairement placées sous le prisme du matériau continu. Or, il est de fait que le matériau d'une électrode est granulaire, et que la microstructure peut évoluer par un réagencement des particules. Par ailleurs, les quelques approches ayant considéré cette structure discrète ne présentent pas d'analyse précise des propriétés de contact entre les particules.L'objectif de cette thèse est alors d'intégrer la structure granulaire dans un modèle d'électrode et d'évaluer l’impact des différentes propriétés granulaires sur la respiration.La construction du modèle de respiration est basée sur l’emploi de la DEM (Discrete Element Method), un outil de calcul d’interaction dynamique entre particules. Construit avec le code open-source LIGGGHTS, l’échantillon numérique est composé d’un lit de particules représentatif d’une anode de 50 µm d’épaisseur. Les particules ont pour propriétés celles du silicium/carbone et du graphite, et la loi de contact employée est la loi de Hertz-Mindlin. Tout d’abord, le modèle prédit une amplitude de gonflement quasiment linéaire avec la proportion de silicium dans l’anode. Ensuite, la pression appliquée sur l’électrode ainsi que la rigidité des particules sont étroitement liées par la notion de « niveau de raideur » du lit de particules : augmenter la pression revient à diminuer la rigidité des particules, et réciproquement. À faible niveau de raideur, l'amplitude de respiration diminue notablement, et à haut niveau de raideur, l'amplitude de respiration est indépendante de ce dernier. D’autre part, l’adhésion et les liens cassants entre les particules sont implémentés respectivement via les lois de Johnson-Kendall-Roberts et de Potyondy-Cundall. L’adhésion et/ou les liens cassants se révèlent propices à l’apparition d’une irréversibilité de premier cycle : l’irréversibilité est susceptible d’atteindre jusqu’à 70% de l’amplitude de respiration uniquement dû au réarrangement des particules. Cette observation confirme l’idée que le milieu granulaire est susceptible de contribuer à l’irréversibilité de premier cycle observée expérimentalement. Enfin, lorsque la friction entre les particules est très haute et la rotation de ces dernières bloquée, un phénomène de « pilier » apparaît : la pression appliquée sur l’électrode n’est portée que par quelques colonnes de particules.En parallèle, une étude expérimentale menée sur des échantillons macroscopiques a permis d’étudier l’effet d’une variation de pression durant le cyclage, de la température ainsi que de la pression des premiers cycles. La variation de pression durant le cyclage affecte l’épaisseur de l’anode, mais s’avère faiblement influente sur l’amplitude de respiration. Une température de cyclage élevée (61°C) induit une diminution de l’amplitude de respiration. Elle engendre aussi une perte progressive de capacité plus importante, mais cela n’explique pas toute l’influence sur l’amplitude de respiration, d’où un impact suspecté sur la microstructure. Enfin, la haute pression (3 MPa) durant les premiers cycles se révèle être un levier pour réduire durablement l’amplitude de respiration de l’anode
To optimise lithium-ion batteries capacity, the adding of silicon as active material of the anode is an interesting solution. However, the significant volumetric expansion of this material during its alloy with lithium makes its insertion delicate. Indeed, the volumetric expansion creates a “breathing” effect of the cell at the rhythm of charge and discharge cycles, which causes mechanical stress potentially detrimental to lifespan and safety. The current models of this phenomenon are still unable to describe it accurately, especially the irreversible expansion at each cycle. These approaches addressed the problem through the prism of continuous material. Yet, it is a fact that the material of an electrode is granular and that the microstructure can change because of particles reorganisation. In addition, the few approaches that considered this discrete structure do not present a comprehensive analysis of the contact properties between particles.The objective of this thesis is to integrate the granular structure in an electrode model and estimate the impact of the various granular properties on breathing.The construction of the breathing model is based on the use of DEM (Discrete Element Method), a computation tool of dynamical interaction between particles. Built with the open-source code LIGGGHTS, the numerical sample is composed of a particles bed representative of a 50 µm thick anode. Particles have the properties of silicon/carbon black and graphite, and the used contact law is the Hertz-Mindlin law. First, the model predicts a swelling amplitude almost linear with the proportion of silicon within the anode. Moreover, the pressure applied on the electrode and the particles rigidity are closely linked through the concept of particles bed “stiffness level”: increasing pressure is similar to decreasing particles rigidity, and vice versa. At low stiffness level, the breathing amplitude decreases significantly, and at high stiffness level, the breathing amplitude is independent of the latter. In addition, adhesion and breakable bonds between particles are respectively implemented by the laws of Johnson-Kendall-Roberts and Potyondy-Cundall. Adhesion and/or presence of breakable bonds between particles particularly favour the irreversibility at first cycle: the irreversibility is susceptible to reach until 70% of breathing amplitude only because of particles reorganisation. This observation confirms the idea that the granular media is susceptible to contribute to the first cycle irreversibility observed experimentally. Finally, when friction between particles is high and the rotation of the latter is blocked, a phenomenon of “pillars” appears: only few columns of particles support the pressure applied on the electrode.In parallel, an experimental study was carried out on macroscopic samples to investigate the effect of pressure variation during cycling, temperature and pressure during first cycles. The pressure variation during cycling affects anode thickness but shows to be weakly influential on breathing amplitude. A high cycling temperature (61°C) generates a diminution of breathing amplitude. It also creates a progressive capacity loss more important, but it does not explain all the influence on breathing amplitude, hence the impact on microstructure is suspected. At last, high pressure (3 MPa) during first cycles turns out to be a lever to reduce durably the breathing amplitude of the anode

Le comportement mécanique de matériaux granulaires est intrinsèquement lié aux propriétés individuelles des grains constitutifs ainsi qu’à leur assemblage (texture, distribution des vides, contact entre grains…). Soumis à un chargement extérieur, cet assemblage se déforme incluant le déplacement relatif entre les particules mais également la déformation propre des grains jusqu’à leur rupture si elle se produit. Pour étudier la rupture d'une seule particule, des études expérimentales et numériques ont été réalisées. Quatre particules sphériques formées de billes d’argile expansée légère ont été testées en compression à déplacement contrôlé jusqu’à la rupture (essai brésilien). Des photos ont été prises avec une fréquence d’acquisition de 4 images par seconde pour suivre la déformation des grains durant l’essai. La structure interne d'une particule a une influence significative sur l'initiation de la fissure. Pour approfondir cet effet, une micro-tomographie par rayons X a été utilisé pour scanner une particule afin d'obtenir la structure géométrique réelle en 3D. Ensuite, un modèle numérique 3D basé sur la géométrie des particules incluant la porosité interne a été construit avec Abaqus pour les mêmes conditions de chargement. Une comparaison des résultats des tests de laboratoire et des simulations a été faite. Sur la base des résultats, l’initiation des fissures, leur localisation dans le grain et la classification des ruptures de particules ont été établies. Afin d’étudier le rôle de l’anisotropie et en particulier de la fabrique d’un matériau granulaire soumis à un chargement externe, cinq essais de compression biaxiaux ont été réalisé sur un assemblage de grains quasi-sphériques placés dans une chambre confinée. Des photos ont été prises pendant les tests et ont été enregistrées selon une fréquence définie. Un programme écrit sous Matlab a été utilisé pour traiter les photos, obtenir le champ de déplacement et analyser les résultats. Un intérêt particulier a concerné l’orientation des contacts, le tenseur de fabrique et son évolution durant le chargement. L'impact de certains facteurs clés tels que la densité de compactage, la pression de confinement, la taille des plateaux de chargement, la taille des particules et l’épaisseur des échantillons sur la déformation des échantillons ont été étudiés. Une attention particulière s’est portée sur les grains subissant une rupture. Nous avons déterminé le nombre de contact sur ces grains et les avons reproduits, dans le modèle numérique (grain 3D) soumis à un chargement diamétral, par le biais de contraintes cinématiques
The mechanical behaviour of granular materials is deeply related to both the individual particle properties and to the assembly of grains (fabric, void distribution …). Subjected to an external loading, the assembly deforms which is not only dependent on relative grain displacements but also on the grain deformation and to grain breakage when occurring. Experimental and numerical studies of single particles were performed. Four approximately spherical particles of light expanded clay were tested to investigate the breakage phenomenon under diametric displacement-controlled compression load. Photos were taken with a frame rate of 4 images per second during the testing. Since the interior of a heterogeneous particle has significant influence on the failure initiation, an X-Ray micro tomography system was used to scan particles. Moreover, the post-processing enables us to obtain the real 3D volumetric structure. Then a 3D numerical model including pore structure was built in Abaqus for the same loading conditions. A comparison of results from laboratory tests and simulations was made. Based on the results, the crack initiation process, its location and classification of particle failures were set. For purpose of understanding the anisotropy and in particular fabric of packing of granular material when disturbed under external loading, five biaxial compression tests were performed on an assembly of approximately spherical particles settled in a chamber under confining pressure. During the test, photos were taken by the camera and saved to a computer at periodic intervals. Software written with Matlab codes was used to process the photos, determine the displacement field and analyse the results. Focus on contact orientation, fabric tensor and its evolution during testing were put on. Impact of some key factors such as packing density, confining pressure, sizes of the covers, sizes of the particles and thickness of samples on the packing characteristic were analysed. In order to understand mechanical behaviour and kinematic of multiple particles under external load considering particle breakage, six biaxial compression tests were performed on an assembly of approximately spherical particles. Photos were taken to record the location of each particle during the tests. Software written with of Matlab codes was used to process the photos and trace the displacement of all particles in order to analyze kinematical behaviour of the particles. A particular attention was payed to given particles subjected grain breakage within the assembly. Their contacts and relative displacements were introduced in the numerical model of single grain breakage and conclusions were derived

Au cours des vingt dernières années, le formalisme en mécanique statistique permettant de décrire des états loin de l’équilibre s’est beaucoup développé. Cependant, les réalisations expérimentales permettant de tester les résultats, et leur robustesse lorsque le système s’éloigne des hypothèses dans le cadre desquelles ils sont établis, sont peu nombreuses et récentes. Partant de ce constat, nous proposons de considérer des systèmes macroscopiques qui permettent un bon contrôle des paramètres expérimentaux. Nous rapportons principalement l’étude de deux systèmes dissipatifs maintenus dans un état stationnaire.D’une part, nous étudions la dynamique d’une bille seule rebondissant à la verticale d’une surface vibrée. Nous considérons tout particulièrement les propriétés des échanges d’énergie entre la particule (la bille) et le thermostat (la surface vibrée) : propriétés statistiques, écart à la situation d’équilibre, réversibilité. D’autre part, nous considérons les propriétés d’un gaz granulaire maintenu dans un état stationnaire sondées au moyen des fluctuations de la position angulaire d’une pale plongée dans le système. Nous avons vérifions ainsi que certaines prédictions théoriques destinées à la description de systèmes non dissipatifs restent encore valables dans ce système dissipatif : théorème de fluctuations, théorème de fluctuation-dissipation, etc.L’utilisation de deux dispositifs expérimentaux couplés, nous permet, de plus, de discuter des échanges d’énergie entre des systèmes maintenus dans des conditions expérimentales différentes, température ou densité, en particulier dans la limite des gaz très raréfiés
Over the last two decades, formalism in statistical mechanics describing states far from equilibrium has been significantly developed. However, there are few experimental achievements to test exact results and robustness when the system is far from the assumptions under which they are established. On this basis, we propose to consider macroscopic systems that allow good control of experimental parameters. We report here the study of two dissipative systems maintained in a steady state.On the one hand, we study the dynamics of a single bead bouncing vertically upon avibrated surface. We consider the properties of energy exchanges between the particle (bead) and the thermostat (the vibrated surface) : statistical properties, deviation from equilibrium, reversibility. On the other hand, we consider the properties of a granular gas maintained in a steady state, studying the fluctuations in the angular velocity of a blade immersed in the gas. We test some theoretical expectations for non dissipative systems and show that they are compatible with our measurements : fluctuation theorem, fluctuation-dissipation theorem. Using two coupled experimental devices, we discuss energy exchanges between systems maintained under different states, temperature or density, especially in the limit of very low density gases

Les milieux granulaires présentent une grande diversité de comportements physiques que l'on peut relier aux différents états "conventionnels" de la matière : solide, liquide ou gaz. Les travaux décrits dans ce manuscrit se concentrent sur les écoulements granulaires denses présentant de nombreuses analogies avec les liquides moléculaires. Les expériences présentées dans ce manuscrit sont réalisées en utilisant des jets granulaires s'écoulant d'un réservoir, dans l'air et sous l'effet de la gravité. Quelques propriétés de tels jets sont étudiées, notamment l'évolution du diamètre au cours de la propagation. L'évolution de cette grandeur permet une description des jets granulaires comme des fluides incompressibles dans une certaine gamme de diamètres de sortie D et de diamètres des particules d, résumés en une grandeur réduite : le rapport d'aspect D/d. Lorsque ce dernier est inférieur à une grandeur critique proche de 15, les jets granulaires cessent de se comporter comme des liquides incompressibles et sont alors décrits comme des gaz en expansion.La transition entre les deux régimes d'écoulements est expliquée par un modèle faisant intervenir l'équilibre entre la température granulaire et sa dissipation par l'inélasticité des collisions entre les billes constituant le milieu granulaire. En utilisant les mesures de la température granulaire accessibles à la paroi dans le réservoir, ce modèle permet d'obtenir les profils de température et de fraction volumique du milieu en fonction du rapport d'aspect ainsi que leurs valeurs moyennes, présentant un bon accord avec les mesures de la fraction volumique en sortie du réservoir.Dans le régime "liquide" des jets granulaires mis en évidence ici, une tension de surface effective est mesurée par l'étude d'une instabilité similaire à celle de Rayleigh-Plateau. En soumettant le jet à une oscillation verticale apparaît une modulation du diamètre du jet dont il est possible d'étudier l'évolution au cours du temps. La mesure des taux de croissance des modes instables excités permet d'établir la relation de dispersion et d'obtenir une tension de surface effective dans les jets granulaires. Il est montré que cette tension de surface effective décroit lorsque la taille des particules augmente, décroit lorsque la pression de l'air ambiant diminue et augmente avec la distance de propagation.Le mécanisme proposé pour expliquer l'origine de cette tension de surface effective est l'interaction entre le jet granulaire et l'air ambiant. Les profils de vitesse de l'air entraîné par le jet sont mesurés pour différentes diamètres de particules, différentes pression ambiantes et différentes distances de propagation. L'entraînement de l'air et les profils de vitesses sont utilisés pour définir certaines forces s'exerçant sur les billes et construire une tension de surface effective : l'ordre de grandeur de cette tension de surface est incompatible avec les mesures réalisées précédemment. Une mesure de la pression de l'air à l'intérieur du jet granulaire permet d'obtenir une force exercée par la perméation de l'air à travers les pores du jet dont l'ordre de grandeur est correct
Granular media exhibit a broad range of behaviours that can be related to the common states of matter: solid, liquid and gaseous. The experiments described in this thesis focus on dense granular flows ad their analogies with molecular liquid flows.The work presented focuses on granular material flowing from a reservoir, in ambient air under the effect of gravity. Some properties of such jets are presented, among them the evolution of the diameter of the jet along propagation. This evolution allows one to describe granular jets as incompressible liquid jets for a certain range of parameters D (exit diameter) and d (beads diameter). When using a reduced variable D/d (the aspect ratio), a transition appears close to a critical value (approx. 15) below which the granular jet exhibit a gas-like behaviour.This transition is explained using a model supposing balance between the heat flux (from the granular temperature imposed at the wall of the reservoir) and its dissipation through inelastic collisions between the beads in the granular medium. This model allows one to compute the temperature and volume fraction profiles as well as their mean values which are in good agreement with the experimental measurements (volume fraction at the exit).In the "liquid" regime defined previously, an effective surface tension is measured by studying the unstable modes of a Rayleigh-Plateau like instability. This instability is obtained by imposing a vertical oscillation on the jet which induces a diametrical modulation whose evolution is measured. Measurements of the growth rates of these unstable modes leads to the dispersion relation $\omega (kr_{0})$ and to an effective granular surface tension. This surface tension shows a diminution when the beads' size increases, a diminution when the air pressure is reduced and a growth along propagation.The proposed mechanism explaining this effective surface tension is the interaction between the granular jet and the surrounding air. Air velocity profiles are measured for different beads diameters, different air pressures and different distances below the outlet. Using these velocity profiles, various forces exerted on the beads are calculated, leading to a surface tension whose order of magnitude is lower than the one measured through the Rayleigh-Plateau instability. The right order of magnitude can be obtained by considering the air permeation through the pores on the surface the jet and the force exerted along the surface of said pores

Le chant des dunes est un phénomène naturel qui a longtemps éveillé la curiosité des hommes du désert, de Marco Polo à R. A. Bagnold. Les observations scientifiques du XXème siècle ont montré que le son est émis par la vibration cohérente de la surface libre d'un écoulement de ces grains chantants, et que ce son est soumis à un phénomène de seuil qui dépend de beaucoup de paramètres. Pour comprendre le mécanisme qui synchronise le mouvement des grains entre eux, nous avons effectué deux voyages au Maroc et à Oman pour observer les dunes chantantes sur le terrain, dont nous avons rapporté plusieurs échantillons de sable chantant. En étudiant leurs propriétés microscopiques, nous avons montré que ces sables sont recouverts d'un vernis qui augmente leurs propriétés d'adhésion et de frottement. Grâce à une expérience à cisaillement variable, nous avons caractérisé la dépendance du seuil avec l'humidité et les paramètres d'écoulement. Dans une expérience d'avalanches, nous avons réussi à reproduire le chant des dunes sur le terrain, et nos observations montrent qu'une partie de l'écoulement a une vitesse homogène, comme un bloc solide. De plus, cette expérience montre aussi que la synchronisation ne peut être due à une onde acoustique dans le milieu granulaire. Nous avons alors développé un modèle basé sur l'interaction entre les chaînes de forces dans l'écoulement de cisaillement et la partie où la vitesse est homogène. Ce modèle a un bon accord quantitatif avec les mesures, et il permet de rendre compte de toutes les observations qualitatives faites sur le chant des dunes
The song of dunes is a natural phenomenon that have arisen men's curiosity for a long time, from Marco Polo to R. A. Bagnold. Scientific observations in the XXth century have shown that the sound is emitted by a coherent vibration of the free surface of a flow in these special singing grains, and that this sound is linked to a threshold effect that depends on many parameters. In order to understand the synchronization mechanism that links the movements of the grains, we have made two missions in Morocco and in Oman to study on field these singing dunes, from which we brought back many samples. On the basis of a study of their microscopic properties, we showed that these grains are covered by a varnish that increases their friction and adhesion properties. In an experiment with varying shear rate, we characterized the threshold dependency on relative humidity as well as on flow parameters. In an avalanche experiment, we reproduced with high fidelity the song of dunes that can be heard on field and our observations showed that the flow has a part at the surface where the velocity is homogeneous like a solid movement. This experiment also showed that the synchronization is not due to an acoustic wave propagating inside the granular layer. We then developed a mode! based on the interaction between the force chains in the shear part of the flow and the plug part of the flow. This model have a good quantitative agreement with the experiments, and it also explains all the qualitative observations that have been made on this subject

Les matériaux granulaires composites sont fréquemment utilisés dans les ouvrages géotechniques. Ces matériaux, composés de constituants de natures et de tailles différentes, ont une rhéologie complexe difficile à appréhender expérimentalement. Un modèle numérique tridimensionnel basé sur la méthode des éléments discrets est développé et une démarche spécifique est proposée afin de simuler le comportement mécanique de ces matériaux sous sollicitation triaxiale. Le modèle repose sur l’utilisation d’éléments discrets de formes simples non convexes et sur une procédure de calibration des paramètres. Il a été validé par des essais expérimentaux réalisés pour diverses densités sur des matériaux granulaires homogènes. Le modèle est appliqué aux mélanges sable – gravier et sable – pastilles de pneu pour diverses proportions et comparé à des résultats expérimentaux. L’influence de la forme et de la taille relative des éléments est discutée
Composites granular materials are frequent components of geotechnical structures. They are composed of different size and nature of particles which generate a complex behaviour difficult to appreciate in experiments. A three-dimensional discrete element model and a specific procedure were developed to simulate the macroscopic behaviour of these materials under triaxial loading. The numerical model implements non convex elements and is based on a parameter calibration procedure. This approach is validated by comparison with experimental tests on homogeneous granular materials for a variety of relative densities. Simulations are applied with sand – gravel and sand – tyre chips mixtures for different mixing ratios and results are compared with experimental ones. The influence of shape and relative size of elements is discussed

Les matériaux granulaires composites sont fréquemment utilisés dans les ouvrages géotechniques. Ces matériaux, composés de constituants de natures et de tailles différentes, ont une rhéologie complexe difficile à appréhender expérimentalement. Un modèle numérique tridimensionnel basé sur la méthode des éléments discrets est développé et une démarche spécifique est proposée afin de simuler le comportement mécanique de ces matériaux sous sollicitation triaxiale.
Le modèle repose sur l'utilisation d'éléments discrets de formes simples non convexes et sur une procédure de calibration des paramètres. Il a été validé par des essais expérimentaux réalisés pour diverses densités sur des matériaux granulaires homogènes. Le modèle est appliqué aux mélanges sable – gravier et sable – pastilles de pneu pour diverses proportions et comparé à des résultats expérimentaux. L'influence de la forme et de la taille relative des éléments est discutée.

Cet article synthétise quelques travaux menés au LMGC, depuis une vingtaine d'années, sur le calcul intensif dédié aux problèmes de mécanique impliquant un grand nombre de contacts. Les situations considérées vont de l'équilibre de systèmes de corps déformables, modélisés en éléments finis, à la dynamique de solides rigides constituant un milieu granulaire.