Avalanches granulaires en milieu fluide

par Sylvain Courrech du Pont

Thèse de doctorat en Physique macroscopique

Sous la direction de Philippe Gondret.

Soutenue en 2003

à Paris 11, Orsay .


  • Résumé

    Considérons une boîte remplie de grains et inclinons-la progressivement. Au-dessus d'un angle critique, un écoulement de surface se déclenche. Cette avalanche, d'amplitude et de durée finie, fait relaxer l'angle du tas de quelques degrés. Ce processus intervient fréquemment dans la nature, notamment sous la forme d'écoulements de débris qui se produisent aussi bien à la surface de la terre que dans les fonds marins. Cependant, les écoulements denses de granulaires immergés dans un liquide ont été peu étudiés. Ainsi, le travail expérimental rapporté dans ce manuscrit s'attache à déterminer l'influence d'un fluide environnant, gaz ou liquide, sur l'amplitude et la dynamique des avalanches. Nous mettons en évidence trois régimes d'avalanches contrôlés par deux paramètres sans dimension: le rapport r entre la densité des grains et celle du fluide, et le nombre de Stokes St qui compare l'inertie d'un grain aux effets visqueux du fluide. Dans un gaz (grandes valeurs de r et de St), l'effet du fluide est négligeable. Dans les liquides (petites valeurs de r), l'amplitude des avalanches diminue tandis que leur durée augmente lorsque St diminue. Dans une deuxième partie, nous étudions l'effet d'un confinement du tas entre deux parois latérales sur sa stabilité. Maximale quand l'écart entre parois est minimum, la valeur des angles diminue sur une longueur caractéristique B lorsque l'écart entre parois augmente. Cet effet peut s'expliquer par la redirection d'une partie des contraintes internes au tas vers les parois, ce qui y induit des forces de frottement prévenant ou bloquant l'écoulement. Deux lois d'échelles dépendantes de la taille des grains sont mises en évidence pour la longueur B : l'effet des parois est géométrique pour les gros grains alors qu'un régime cohésif est observé pour les petits grains. Enfin, nous rapportons les résultats de premières expériences dans l'air où la vitesse des grains est mesurée et apparaît exponentiellement décroissante avec la profondeur.


  • Résumé

    Take a box filled of grains with a horizontal free surface and incline it smoothly. At a critical angle, a surface flow starts. This avalanche, whose amplitude and time duration are finite, makes the pile angle relax to a few degrees smaller angle. This process is often observed in Nature, such as debris flows that occur on earth surface as on submarine grounds. Nevertheless, not many studies concern dense granular flows when the pile is immersed in a liquid. We have thus performed an extensive series of experiments to investigate the influence of the interstitial fluid, gas or liquid, on the packing stability and the avalanche dynamics. Three regimes of avalanches in fluids are put in light depending on the grain/fluid density ratio r, and on the Stokes number St which prescribes the relative importance of grain inertia to fluid viscous effects. In gas (large r and St values) the amplitude and time duration of avalanches do not depend on any fluid effect and a surprising free fall regime is observed. In liquids (small r values), for decreasing St, the amplitude decreases and the time duration increases, exploring an inertial and a viscous regime. These three regimes are described by the simple analysis of the elementary motion of one grain. In a second part, we investigate the effect of confining lateral walls on pile angles. Maximum for small gap width, angles decrease on a characteristic length B with an increasing gap. This is explained by a model based on the redirection of stresses through the granular media to the walls, generating friction forces that prevent or stop the flow. Two different scaling laws are put in light for B. For large beads, wall effect is geometric as B is proportional to the bead size, whereas a cohesive regime leading to a constant B value is observed for small beads. Finally, we report first measurements of the grain velocity in air. Although the flow does not reach any stationary state, velocity profiles quickly adopt a stationary shape.

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Informations

  • Détails : 136 p.
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p.131-136.

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université Paris-Sud (Orsay, Essonne). Service Commun de la Documentation. Section Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : M/Wg ORSA(2003)304
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