Force de résistance au mouvement d'un objet dans un milieu granulaire

par Francisco Javier Martinez Carreaux

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Philippe Gondret.


  • Résumé

    Cette thèse porte sur la force de résistance au mouvement à faible vitesse d'un objet (sphère, cylindre ou disque) dans un empilement de grains dense et sec. Des expériences ont été menées sur deux dispositifs permettant un mouvement à vitesse contrôlée, en s’intéressant à l’influence des tailles des objets et des grains, des conditions aux limites de l’empilement, de la gravité, et d’une éventuelle vibration de l’empilement. Dans un premier dispositif expérimental permettant un mouvement vertical, nous avons consacré une partie importante de ce travail à l'étude de la forte asymétrie de la force lors de cycles de pénétration/extraction d’un cylindre horizontal et d’une sphère. Pour tenter de comprendre l'origine de cette asymétrie, différentes conditions aux limites ont été considérées : parois rigides ou souples sur les côtés ou au fond de l’empilement, surface libre ou surmontée d’un couvercle plus ou moins chargé en haut de l’empilement. La longueur caractéristique issue du champ de vitesse des grains autour d'un cylindre a été montrée comme la longueur pertinente à considérer pour le confinement latéral, ainsi que pour les déformations de la surface libre telles que la formation d’un cratère consécutif à la pénétration ou d’une bosse lors de l’extraction. Ces déformations peuvent être retrouvées par intégration d’un modèle de champ de vitesse autour de l’objet. La présence d'un couvercle chargé a par ailleurs permis de mettre en évidence une riche et complexe variété de comportements, notamment en extraction où la force ne diminue plus avec la profondeur de l’objet. Dans un second dispositif permettant le mouvement horizontal d’un gros disque intrus à l’intérieur d’une couche de petits disques photoélastiques vibrés ou non, nous avons mesuré la force globale sur l’intrus et visualisé les distributions de contraintes au sein du milieu granulaire. Au-delà des importantes fluctuations spatio-temporelles, des valeurs moyennes de force sur l’intrus et des tenseurs locaux de contraintes et taux de déformations autour de l’intrus ont pu être obtenus, dans la perspective d’établir une loi de comportement locale pour le milieu. La vibration de la couche de grains a été montré pouvoir changer considérablement la dépendance de la force avec la vitesse de l’intrus, avec un effet de fluidification du milieu.

  • Titre traduit

    Resistance force on an object moving into a granular media


  • Résumé

    This thesis focuses on the force of resistance to the slow motion of an object (sphere, cylinder or disk) in a dense and dry granular medium. Experiments were conducted using two devices that permitted movement at constant velocity, with the aim of studying the influence of the object size, the grain size, the boundary conditions, and vibration of the grains. Using the first device in which the object moved vertically, we studied in detail the strong asymmetry of the resistance force during cycles of penetration/withdrawal of a horizontal cylinder and a sphere. In an attempt to understand the origin of this asymmetry, we implemented different boundary conditions: rigid and deformable walls on the sides and/or the bottom of the device, and free and quasi-rigid (loaded cover) conditions at the top. Previous work has shown that the characteristic length scale of the velocity field around a moving cylinder is the relevant length for both the lateral confinement and the deformation of the free surface, such as the formation of a crater during penetration or a mound during withdrawal. These deformation fields can be found by integrating a model of the velocity field around the object. Our use of a loaded-cover boundary condition has also revealed a variety of complex behaviors, including a force that no longer decreases with the depth of the object during the withdrawal phase. The second device allows the horizontal movement of a large hard intruder into a monolayer of small photoelastic disks which could be vibrated or not. Using this, we measured the overall force on the intruder and visualized the stress distribution in the granular medium. We were able to measure not only the large spatio-temporal velocity fluctuations, but also average values of the force on the intruder and the local stress and strain rate tensors around it, which allowed us to determine a local constitutive law for the medium. Finally, we have shown that vibration of the grains significantly changes the dependence of the force on the intruder speed, indicating a fluidization effect.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université Paris-Sud. Service commun de la documentation. Bibliothèque électronique.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.