Letteratura scientifica selezionata sul tema "Milieux granulaires – Dynamique des fluides"

Les échanges thermiques interviennent dans de nombreux secteurs d’activités humaines. Dans la plupart de ces activités, le transfert de chaleur doit s’effectuer sans altération des milieux intervenant dans le transfert thermique. Le souci technologique majeur des échangeurs de chaleur est l’amélioration de l’échange thermique entre les deux fluides tout en générant le moins de pertes de charges ou de leur réduire à leur plus bas niveau possible. Les objectifs principaux du présent article qui traite le comportement dynamique et thermique d’un écoulement en convection forcée pour deux fluides est l’amélioration des performances des échangeurs de chaleur.

Le travail effectue constitue une contribution experimentale a la caracterisation du comportement des materiaux formes de grains. Lors de l'ecoulement, le milieu se deforme suivant des lignes de glissements. Leur naissance est aleatoire et favorisee par la presence de defauts de structures. Notre objectif est d'analyser ce phenomene de localisation des deformations a l'echelle du grain puis a l'echelle du milieu continu pour rendre compte du processus d'ecoulement. L'approche adoptee repose sur la definition, a la base, du frottement intergranulaire comme parametre intrinseque. On aborde, dans un premier temps, le processus de mobilisation du frottement sous cisaillement direct et l'influence de la variation du degre de liberte des grains et des conditions de charge. L'utilisation d'un materiau analogique de schneebeli et l'adapatation d'une methode basee sur le traitement d'images permettent d'acceder a l'etude du comportement a l'echelle du grain. Dans un second temps, on aborde le cas des materiaux en ecoulement gravitaire. Ce processus est considere comme une suite de deformations ou l'on observe simultanement frottement et localisation. On montre le caractere critique de la densite du materiau a l'ecoulement etabli, sous controle des donnees morphometriques des particules et du frottement des parois.

La rhéologie et les lois de comportement des écoulements granulaires font l'objet de nombreuses recherches, aussi bien expérimentales que théoriques. Des études d'écoulements continus de billes en tambour tournant ont mis en évidence que le gradient de vitesse dans la zone à écoulement libre est constant. Nous avons testé expérimentalement la validité de cette expression du gradient de vitèsse pour des gammes de paramètres de fonctionnement beaucoup plus larges que celles utilisées jusqu'à présent. Pour de faibles vitesses de rotation du tambour, nous avons montré que les angles d'avalanche et de repos peuvent être homothétiques dans la mesure où les particules sont comparables en terme distribution granulométrique et de morphologie. A plus forte vitesse de rotation, des mesures systématiques d'épaisseur de zone d'écoulement et d'angle d'écoulement ont permis de mettre en évidence différentes transitions de régime. Quand la taille des particules d est grande par rapport à la taille du tambour D (rapport D/d faible), on constate que l'épaisseur de la zone d'écoulement sature à environ 1/3 du rayon du tambour. Dans ce cas, une augmentation de la vitesse de rotation du tambour est accommodée par une augmentation du gradient de vitesse. Dans des systèmes à rapport D/d élevé, on constate que c'est la vitesse maximale des particules à la surface libre qui sature avant l'épaisseur en écoulement. Dans ces conditions, une augmentation de la vitesse de rotation du tambour est accommodée par une augmentation de l'épaisseur, ce qui entraîne une réduction du gradient de vitesse. Ainsi les limites du domaine de validité d'un gradient de vitesse constant ont été définies: la relation est valable tant que ni l'épaisseur en écoulement ni la vitesse maximale des particules ne saturent. Enfin, dans une dernière partie, des expériences de ségrégation ont été réalisées dans le but de mettre en rapport les épaisseurs en écoulement et les vitesses de ségrégation de grosses billes de verre placées dans un milieu de petites billes de même densité.

"De par leurs applications industrielles et géophysiques, les écoulements de matériaux granulaires ont une place prépondérante dans notre environnement. Cette thèse a pour objet l'étude de ces écoulements par simulation numérique de type "éléments discrets" (où les grains sont traités de manière explicite) et de type "milieu continu" (où le matériau se comporte comme un milieu effectif obéissant à une rhéologie donnée). Nous avons tout d'abord étudié par la méthode "éléments discrets" des écoulements granulaires en silo. En modifiant les propriétés micromécaniques des grains (restitution et de frottement) nous avons montré qu'elles avaient une influence significative sur le débit de vidange. Une étude fine du comportement des grains a montré que cette influence incombait à une variation de compacité au niveau de l'orifice de sortie, les vitesses des grains étant très peu modifiées. Bien que les modélisations de type "éléments discrets" permettent d'accéder à toutes les propriétés individuelles des grains, elles ont un inconvénient majeur : le temps de calcul est très important ce qui proscrit la modélisation de situations géophysiques ou industrielles. Afin de pallier ce défaut, nous avons utilisé l'approche "milieu continu" en considérant que le milieu granulaire étudié obéissait à une rhéologie récemment proposée dans la littérature. Après avoir discuté son implémentation numérique, nous avons étudié de façon semi-analytique cette rhéologie pour des écoulements stationnaires et établis et cela dans deux configurations : une cellule de cisaillement et un chenal. Cela nous a permis de mettre en évidence les différences entre un milieu granulaire et un fluide newtonien. "
Because of their industrial and geophysical applications, granular flows have a prominent place in our environment. In this thesis, we study these flows by numerical simulation of type "discrete elements" (where the grains are treated explicitly) and of type "continuous medium" (where the granular material behaves as an effective medium obeying a given rheology). We first studied the granular flows by the "discrete elements" method in silo geometries. By changing the micro-mechanical properties of the grains (restitution and friction) we showed that they had a significant influence on the flow discharge. A detailed study of the behavior of grains has shown that this influence comes from a variation of the packing fraction at the outlet of the silo, the grains velocity experiencing very little change. Although models such as "discrete elements" provide access to all the individual properties of the grains, they have one major drawback : the computation time is very important that prohibits the modeling of geophysical and industrial situations. To overcome this problem, we used the "continuous medium" approach, which consider that the granular medium studied follows a rheology recently proposed in the literature. After discussing the numerical implementation, we have studied this rheology for steady and fully developed flows with a semi-analytical method in two configurations: a shear cell and a channel. This allowed us to highlight the differences between a granular medium and a Newtonian fluid

Cette thèse porte sur l’étude de la propagation d’ondes mécaniques dans des milieux granulaires secs ou mouillés, avec pour objectif de relier les phénomènes de l’échelle microscopique (dynamique des grains, potentiels d’interactions entre particules, rhéologie du fluide interstitiel) aux propriétés de l’échelle macroscopique (relation de dispersion, vitesse et atténuation des ondes dans l’approximation des grandes longueurs d’ondes). Les systèmes étudiés sont soit des milieux granulaires unidimensionnels de grande taille, analogues des chemins de plus forts contacts entre particules (les chaînes de force) dans les empilements de grains réels, soit les milieux granulaires réels eux-mêmes. Dans un premier temps, nous étudions expérimentalement la transmission d’ondes au travers d’un alignement de sphères centimétriques sèches, que nous modélisons via le potentiel de Hertz. Nous montrons que le couplage élastofrictionnel entre les grains et un substrat (le support des sphères) engendre un potentiel élastique local, qui induit à son tour une bande interdite a fréquence nulle dans la fonction de transfert. Dans un deuxième temps, nous montrons que la présence d'une quantité infime de fluide visqueux au contact entre chaque particule induit une interaction élasto-hydrodynamique (EHD). Ce dernier induit une modification de l’atténuation des ondes et une augmentation très significative de la vitesse de propagation, qui dans ce cas dépendent de manière non-triviale de l’élasticité des particules, de la viscosité du fluide et de la fréquence. Dans un troisième temps, nous vérifions la fiabilité de notre analyse pour décrire la propagation d'ondes ultrasonores dans des milieux granulaires réels, tel que le sable mouillé ou non ; les particules sont ici des sphères millimétriques. Dans le cas sec, nos résultats sont en accord avec un modèle connu de milieux effectifs (EMT) qui relève de l’interaction de Hertz-Mindlin dans l'approximation des grandes longueurs d'ondes. Dans le cas mouille, le modèle EMT combiné à un mécanisme EHD reproduit de manière acceptable nos observations préliminaires
This thesis deals with the study of mechanical wave propagation in dry or wet granular media, with the aim of relating the phenomena at the microscopic scale (particles dynamics, interaction potentials between grains, rheology of the interstitial fluid) to the features at the macroscopic scale (dispersion relation, wave speed and attenuation in the long wavelength approximation). The systems under study are either large one-dimensional granular media, as the analogs of the paths of the most compressed grains (the force chains) in real granular packings, or the real granular media themselves. In a first place, we study experimentally the wave transmission through alignments of dry centimetric spheres, which we model via the Hertz potential. We show that the elasto-frictional coupling between the grains and a substrate (the spheres’ support) induces an on-site elastic potential, which in turn induces a band gap at zero frequency in the transfer function. In a second place, we show that the presence of an infinitesimal amount of viscous fluid at the contact between every particle induces an elasto-hydrodynamic (EHD) interaction. The later affects the attenuation of waves in addition to a significant increase of the wave speed, which in this case both non-trivially depend on the elasticity of the particles, on the viscosity of the fluid and on the frequency. In a third place, we check the reliability of our analysis to describe ultrasonic wave propagation in real granular materials such as dry or wet sand; our particles are here millimetric spheres. In the dry configuration, our results are consistent with an effective medium theory (EMT) which relies on the Hertz-Mindlin interaction in the long wavelength approximation. In the wet configuration, the EMT model combined with an EHD mechanism fairly reproduces our preliminary observations

Cette thèse aborde le problème de l'hydrodynamique des lits fluidisés gaz-solide dans les régimes de fonctionnements denses. Le comportement macroscopique du lit, résultant des dynamiques à toutes les échelles, est souvent très complexe (instabilités spatio-temporelles fortement non-linéaires). Avec pour but de comprendre les mécanismes physiques responsables des instabilités macroscopiques, la démarche adoptée dans ce travail est simplificatrice : on étudie, sur un plan expérimental, numérique et théorique la dynamique de seulement quelques couches de grains : les Lits Fluidisés Peu Profonds (LFPP). Ce travail se scinde en deux parties distinctes. La première partie est consacrée à la compréhension de la dynamique intrinsèque des LFPP. Tout d'abord, un travail expérimental a permis de mettre en évidence leurs caractéristiques dynamiques (fréquences d'oscillation) en fonction des deux paramètres de contrôle que sont la vitesse du fluide et taille du lit. Ensuite, à l'aide de deux différents modèles nous décrivons de quelle manière les phénomènes hydrodynamiques et collisionels locaux se combinent pour produire une dynamique globale. Une extrapolation des mécanismes identifiés est réalisée pour des lits de grande taille. Fort de cette analyse la seconde partie a pour but de décrire l'influence des conditions aux limites (C. L. ) sur la dynamique des lits denses. Ce travail est abordé en deux étapes. La première concerne la caractérisation, à l'aide d'un modèle linéarisé, du couplage acoustique entre le lit et ses C. L. Nous montrons ensuite de quelle manière le lit peut présenter selon le taux de couplage (i. E. Selon la capacité donnée au lit de rétroagir sur ses C. L. ) soit une "dynamique intrinsèque" soit une "dynamique de couplage". Ce travail met en évidence qu'il n'existe pas de comportement universel pour les lits fluidisés denses mais qu'il est impératif d'inclure dans n'importe quel modèle la possible influence C. L.

Les études présentées dans ce mémoire portent sur la simulation numérique et l'analyse physique des milieux granulaires immergés dans un fluide. Des développements numériques ont été réalisés pour coupler la méthode Lattice Boltzmann pour la dynamique du fluide avec la méthode Contact Dynamics en 2D et avec la méthode Molecular Dynamics en 3D pour la dynamique des grains. Ces outils numériques ont été utilisés pour étudier l'initiation des avalanches sur un plan incliné en fonction de la compacité initiale et de l'angle d'inclinaison en 3D. Les résultats sont en bon accord quantitatif avec les expériences et ont permis de mettre en évidence la stabilisation de la pente granulaire par une pression négative du fluide interstitielle induite par la dilatance, et l'évolution spatiotemporelle des grandeurs telles que la compacité et la déformation de cisaillement. Ces évolutions dans la phase de fluage qui précède la rupture de pente ont pu être mises à l'échelle par un modèle théorique incorporant la loi de Darcy et l'effet de la dilatance sur l'angle de frottement interne. L'analyse de la texture granulaire a révélé la distortion du réseau des contacts pendant le fluage et la saturation de l'anisotropie comme un critère de rupture. La propagation des avalanches granulaires a été étudiée dans une configuration 2D pour deux géométries différentes : 1) l'effondrement et l'étalement d'une colonne sous son propre poids, 2) l'étalement d'une pente sous l'effet d'une énergie cinétique injectée. Nous avons en particulier montré que la distance et la durée d'étalement obéissent à des lois de puissance en fonction du rapport d'aspect initial ou de l'énergie injectée. Le fluide exerce deux effets contradictoires : réduire les temps de relaxation et lubrifier les contacts. Ces effets ont été analysés dans le régime visqueux en fonction des conditions initiales et la viscosité du fluide.

Bien qu'assez répandus dans le milieu naturel et dans diverses activités industrielles, les écoulements granulaires denses possèdent des caractéristiques particulières qui semblent dépendre fortement des géométries observées. Lorsque le fond qui supporte la coulée peut être érodé, les mécanismes déterminant la position de l'interface liquide-solide ou la vitesse à laquelle la pente est dévalée ne sont pas encore bien compris. Ceci provient du manque de connaissance de la rhéologie des écoulements granulaires et constitue le coeur de cette thèse.

Ce travail s'articule principalement en trois parties. Premièrement, dans le but de fournir une description détaillée des écoulements sur tas, une étude expérimentale systématique des écoulements stationnaires a été menée dans un canal. Nous avons ainsi pu mettre en évidence l'importance des parois latérales du système dans le cadre des écoulements à la surface d'un tas : les propriétés de l'écoulement sont complètement contrôlé par la largeur du canal. Ce constat nous a ensuite conduit à la proposition d'une modélisation fondée sur une rhéologie récemment développée.
Cette rhéologie a été ensuite étendue à trois dimensions et appliquée à notre configuration. Des simulations numériques permettent de reproduire correctement les propriétés des écoulements stationnaires. Nous avons enfin étudié un phénomène transitoire particulier afin de comprendre la manière dont l'épaisseur coulante évolue. Malgré la présence de certaines limitations, ce travail montre qu'une description locale des écoulements granulaire est appropriée et que la rhéologie proposée ouvre la voie à des modélisations plus complètes des écoulements granulaires denses.

Une buée ou de l’eau chaude peuvent détruire le caractère superhydrophobe d’une surface texturée, du fait de la condensation à l’intérieur des textures. Néanmoins, il a été observé que des matériaux couverts de cônes nanométriques peuvent résister à la buée, les gouttes issues de la condensation étant éjectées à l’occasion de leur coalescence. Nous avons tout d’abord montré expérimentalement par des images de microscopie électronique que la forme conique des textures permet bien aux gouttelettes d’eau d'être en “état fakir", y compris à très petite échelle. Nous avons ensuite étudié différentes familles de surfaces à cônes en variant l’espacement et la hauteur des textures. Aux nanoéchelles, nous avons montré que l’effet anti-buée est peu influencé par la taille des textures, et que ses limites proviennent plutôt des propriétés de l’eau elle-même, sa viscosité en particulier. Aux microéchelles, nous avons décrit des situations nouvelles où l'on observe l'éjection spontanée de la buée, malgré un piégeage local de l’eau. Nous avons ensuite étudié la trajectoire des gouttes de buée éjectées et confirmé que la viscosité joue un rôle majeur dans leur balistique. Enfin, nous nous sommes intéressés à la capacité des surfaces superhydrophobes à repousser des gouttes d’eau chaude, montrant l’existence de deux recettes distinctes pour parvenir à un tel effet. Dans la seconde partie de la thèse, nous avons abordé le problème du pouvoir de capture de poussière de fibres mouillées d’huile. Nous avons montré que la quantité de particules capturées est seulement influencée par la quantité d’huile déposée sur la fibre et non par la configuration adoptée par l’huile (film ou goutte), contrairement à la dynamique de croissance de l’agrégat, au cours de laquelle, de larges différences apparaissent entre les deux configurations. La dernière partie de la thèse a été consacrée à l’équation de Slutsky, communément rencontrée dans le domaine de la micro-économie. Nous avons décrit comment la matrice de Slutsky est modifiée en présence d’hypothèses non rencontrées en économie classique telles que l’irrationalité, l’interaction entre produits ou l’hétérogénéité des agents; et comment celles-ci font apparaître des résultats surprenants non prédits par la théorie classique du consommateur. Les trois parties peuvent être abordées de manière indépendante
Fog or hot water can destroy the superhydrophobic properties of a textured surface owing to the condensation inside the texture. However, it was recently shown that such surfaces covered with cones at a scale of hundred nanometers could resist fog: condensed droplets can be ejected during their coalescence. We first experimentally show by electronic microscopy that a conical texture enables water drops to remain in a “fakir state”, even at a very small scale. We then studied different families of cone-textured surfaces by varying the spacing and the texture height. At the nanoscale, we showed that the texture size has a low influence on the antifogging efficiency whose limits rather lie in the water properties themselves, especially its viscosity. At the microscale, we described new situations where spontaneous ejection of condensed drops occurs despite a local trapping of water. We also studied the trajectory of expelled drops on such surfaces and confirmed that viscous effects play a major role in their ballistics. Finally, we focused on the ability of superhydropho- bic surfaces to repel hot water, a challenging situation for which we identified two independent recipes. In the second part of the thesis, we studied the ability of wetted fibers to capture dust. We showed that the quantities of captured particles is only influenced by the quantity of oil deposited on the fiber and not by its configuration (film or drop) on the fiber, unlike the growth kinetics of the aggregate where large differences are observed between the two configurations. The last part of the thesis focused on the Slutsky equation, a classical equation encountered in microeconomics. We described how the Slutsky matrix is modified when challenging classical economics hypotheses such as irrationality, interactions between goods or agents’ heterogeneity, and how it exhibits surprising features not predicted by consumer choice theory. The three parts can be addressed independently

La vidange de grains dans un silo est une application très présente en industrie mais aussi un cas typique d'écoulement de milieux granulaires encore mal compris. Faute d'une réelle compréhension fondamentale, l'optimisation de cette application se fait de manière empirique comme par exemple en appliquant des vibrations pour aider l'écoulement. Comprendre cet écoulement, et en particulier le lien entre le débit apparent et la dynamique de réorganisation des particules, permettrait une avancée théorique et ouvrirait des pistes d'optimisation pratiques de ces écoulements en configuration industrielle. Dans cette thèse, nous présentons les résultats de l'analyse de la vidange de milieux granulaires modèles (billes sphériques monodispersées) dans un silo quasi-2D soumis à des vibrations mécaniques. Des expériences et des simulations numériques par éléments discrets (DEM) ont été menées pour comprendre l'influence de la géométrie du silo, des propriétés des grains et des caractéristiques des vibrations. Deux régimes d'écoulement ont ainsi été mis en évidence, gouvernés par le nombre de Froude Fr et la fréquence relative Ω des vibrations. Dans le premier régime, une diminution du débit est observée lorsque l'on augmente l'intensité des vibrations. Ce comportement est expliqué par la mise en mouvement par les vibrations de zones précédemment à l'arrêt et une plus forte dissipation d'énergie. Dans le second régime, une augmentation du débit est observée lorsque l'on augmente l'intensité des vibrations. Ce comportement provient de la nature intermittente de l'écoulement, qui se fait sous la forme de jets de matière engendrés par la propagation d'onde de choc dans tout le silo. Dans un premier temps, nous proposons pour chaque régime une loi empirique permettant de rendre compte de l'évolution du débit à partir des différents paramètres. Dans un second temps, nous analyserons l’écoulement à l’échelle locale pour relier le débit apparent à la dynamique locale des particules à travers la rhéologie de l'écoulement
The discharge of grain in a silo is a common application in industry, but this typical granular flow is still not fully understood. Without a real fundamental understanding, the optimization of this application is done by empirical means, for example by applying vibrations to improve the discharge. Understanding the behaviour of this flow, and in particular the link between the apparent flow rate and the particle reorganization dynamics, would therefore allow a theoretical breakthrough and would open up practical ways of optimizing these flows in an industrial configuration. In this thesis, we study the discharge of model granular matter (monodisperse spherical beads) in a quasi-2D silo under the influence of mechanical vibrations. Experimental measurements and discrete element simulations (DEM) are performed to determine the effect of the geometry, particle properties and vibration characteristics. We evidence that vibrations make appear two distinct regimes, governed by the Froude number Fr and the relative frequency Ω of the vibrations. In the first regime, a decreased flow rate is observed when increasing the vibration intensity. This behavior is explained by the setting in motion, due to the vibration, of areas previously at rest and a higher energy dissipation. In the second regime, an increased flow rate is observed when increasing the vibration intensity. We find this behavior comes from the intermittent nature of the flow, with bursts of flow rate created by the propagation of shock waves all along the silo. As a first step, we propose for each regime an empirical law for the flow rate depending on the different parameters. Then, we studied the flow at the local scale in order to relate the apparent flow rate to local particle dynamics through flow rheology