Comment coule une pâte granulaire ? : études des composantes primaire et secondaire et des fluctuations de l’écoulement

par Octavian Blaj

Thèse de doctorat en Lasers, matière et nanosciences

Sous la direction de Bernard Pouligny et de Patrick Snabre.

Le jury était composé de Annie Colin, Christophe Ancey.

Les rapporteurs étaient Guillaume Ovarlez, François Peters.


  • Résumé

    Une « boue » est constituée de particules submillimétriques immergées dans un fluide. Nous étudions des boues concentrées (ou « pâtes granulaires »), où la concentration en particules est proche du maximum réalisable. Les particules peuvent être plus denses que le fluide, et sédimenter, ou être équilibrées en densité. Ces deux cas sont examinés, à l’aide d’une boue modèle. Nous étudions les écoulements de ces boues dans une cellule de Couette. Les expériences utilisent des méthodes innovantes, permettant de mesurer les vitesses des grains individuellement et collectivement, et les profils de concentration sous cisaillement. Les expériences apportent des informations nouvelles sur les écoulements, comme l’existence de courants de re-circulation. Les résultats sur les vitesses azimutales et concentrations sont en accord avec la théorie de Morris et Boulay d’équilibre des forces normales, pour un rapport convenable des coefficients viscométriques des forces tangentielle et normales.


  • Résumé

    Wet granular materials are made of solid particles in high concentration, immersed in a viscous fluid. We investigated particle dynamics in a model granular suspension in Couette geometry, at low Reynolds/Taylor numbers for density and non density matched suspension. We used innovated techniques such as: Single Particle Tracking (SPT), Multi Particles Video Trajectography (MPVT) and Concentration Photometry (CP). These experiments allow us to provide information about single and collective motion of grains as well as particle repartition (local volume fraction). We investigated fully 3D velocity profiles in concentrated suspensions, diffusion coefficients, particle fluctuations and recirculation motion, also differential flows. We observe that the flow of non density matched suspensions is localized near the inner cylinder in the low shear rate regime, resulting in a sheared layer only a few particle diameters in thickness, in a way very similar to sheared dry granular materials. At high enough angular velocity, the initially localized flow crosses over to full fluidization: in this regime the granular suspension nearly behaves as a density-matched suspension. Dependence between particles’ velocity and associated fluctuation amplitude is evidenced. Experiments as velocity and concentration profiles were compared with theoretical prediction based on the force balance model and different viscometric laws were investigated for normal and shear forces.


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