Modélisation numérique des écoulements granulaires denses immergés dans un fluide

Numerical modeling of dense granular flows immersed in a fluid

• Auteur / Autrice : Edouard Izard
• Direction : Thomas Bonometti, Olivier Eiff
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 14/10/2014
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique des fluides de Toulouse (1930-....)
• Jury : Président / Présidente : Maxime Nicolas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maxime Nicolas

Mots clés

Mots clés libres

Méthode numérique

Ecoulement fluide-particule

Computational method

Particle-fluid flow

Résumé

Ce travail de thèse concerne la modélisation numérique fine des processus locaux dans le transport sédimentaire, à l'échelle d'un à plusieurs centaines de grains. Une méthode aux éléments discrets (DEM) basée sur la méthode dite des sphères molles et prenant en compte les contacts entre les grains a été développée et couplée à une méthode de frontière immergée (IBM) qui calcule l'écoulement autour d'objets solides mobiles dans un fluide Newtonien incompressible. Dans ce couplage, une force de lubrification est incluse pour représenter les interactions entre le fluide et les particules proches d'un contact. Il est montré que la méthode numérique reproduit de manière satisfaisante le coefficient de restitution effective mesuré dans des expériences de rebonds normal et oblique d'un grain sur un plan, ainsi que de rebond entre deux grains dans un fluide visqueux. Deux modèles analytiques associés au phénomène de rebond sont proposés et montrent l'importance de la rugosité de surface du grain et du nombre de Stokes sur le phénomène. La méthode numérique est ensuite utilisée pour simuler deux configurations tridimensionnelles d'écoulements granulaires pilotés par la gravité en milieu fluide : l'avalanche de grains sur un plan incliné rugueux et l'effondrement d'une colonne de grains. Dans le premier cas, les résultats permettent de caractériser les différents régimes d'écoulement granulaires (visqueux, inertiel et sec) observés dans les expériences en fonction du rapport de masse volumique grain-fluide et du nombre de Stokes. En particulier, les simulations apportent des informations originales quant aux profils de vitesse de grains et du fluide ainsi qu'aux forces prédominantes dans chacun des régimes. Dans le second cas, les résultats sont en bon accord avec les expériences et le mécanisme dit de « pore pressure feedback », qui dépend de la compacité initiale de la colonne, est pour la première fois observé dans des simulations numériques directes.

This work deals with direct numerical simulations of sediment transport at the scale of O(103) grains. A soft-sphere discrete element method (DEM) taking into account grain contacts is developed and coupled to an immersed boundary method (IBM) which computes the flow around moving solid objects in an incompressible Newtonian fluid. A lubrication force is added for representing fluid-particles interaction near contact. The numerical method is shown to adequately reproduce the effective coefficient of restitution measured in experiments of the normal and oblique rebound of a grain on a plane and the rebound between two grains in a viscous fluid. Two analytical models are proposed and highlight the importance of the grain roughness and Stokes number on the rebound phenomenon. This numerical method is then used for simulating two three-dimensional configurations of gravity-driven dense granular flow in a fluid, namely the granular avalanche on a rough inclined plane and the collapse of a granular column. In the first case, results allow to characterize the granular flow regimes (viscous, inertial and dry) observed in experiments as a function of the grain-to-fluid density ratio and the Stokes number. In particular, the simulations provide insight on the grain and fluid velocity profiles and force balance in each regime. In the second case, results agree well with experiments and in particular the pore pressure feedback, which depends on the initial volume fraction of the column, is observed for the first time in direct numerical simulations.