Rhéologie des écoulements granulaires en cisaillement simple : Application aux laves torrentielles granulaires

par Christophe Ancey

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Pierre Evesque.

Soutenue en 1997

à Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris .

mots clés

• Mécanisme écoulement
• Debris flows
• Milieux granulaires
• Rhéologie
• Cisaillement (mécanique)

Résumé

Un grand nombre d'écoulements naturels ou industriels impliquent un mélange concentré de particules dans un fluide. Lorsque la concentration solide du melange est suffisamment élevée, il existe un réseau de particules en contact direct ; nous qualifions de <single High-reversed-9 quotation mark>granulaire<right single quotation mark> l'écoulement d'un tel mélange. Les interactions au sein d'un mélange de particules non colloïdales dans un fluide Newtonien sont variées : frottement, collision, contact lubrifie, etc. On montre que moyennant certaines hypothèses, il est possible de considérer à l'échelle macroscopique le mélange comme un milieu continu effectif et d'obtenir la forme de la loi de comportement a partir d'une moyenne de volume des contraintes locales. Pour simplifier la forme de cette loi, on propose une expression simplifiée de la fonction de distribution des contacts, qu'on relie ensuite aux variables de l'écoulement a l'aide d'une loi empirique. Selon la nature des contacts prédominants, on montre qu'il y a différentes classes de loi de comportement que l'on peut classer à l'aide de deux nombres adimensionnels (un nombre de stokes et un nombre de prédominance) : écoulements granulaire, diphasique ou de suspension. Nous nous sommes surtout intéressés aux écoulements granulaires. Les contacts prédominants sont alors les contacts frottants et collisionnels. De ce fait, une des caractéristiques essentielles de la loi de comportement est la dépendance de la contrainte de cisaillement vis-à-vis de la contrainte normale (au plan de cisaillement). Des expériences ont été réalisées sur plusieurs géométries de rhéomètre, notamment un canal de grande taille. Compte tenu du lien entre contraintes tangentielle et normale, il a fallu proposer de nouvelles méthodes de traitement rheométrique adaptées à chaque géométrie d'écoulement. Les résultats expérimentaux (profil de vitesse, loi hauteur-débit, domaine de stabilité, etc. ) sont en très bon accord avec les prédictions théoriques.

Titre traduit

Rheology of simple shear granular flows application to granular debris flows

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