Dynamique et instabiblités des interfaces grains / fluide dans les suspensions non-Browniennes

par Christophe Chevalier

Thèse de doctorat en Physique des liquides

Sous la direction de Éric Clément et de Anke Lindner.

Soutenue en 2006

à Paris 6 .

mots clés

• Suspension granulaire
• Poreux réorganisables
• Interface
• Injection
• Saffman-Taylor
• Inertie

Résumé

Cette thèse porte sur les mécanismes susceptibles d’intervenir aux interfaces des suspensions granulaires. Nous sondons ainsi les propriétés d’une interface grains/fluide en injectant un fluide pur dans une suspension granulaire isodense confinée dans une cellule de Hele-Shaw. Pour les fractions de grains inférieures à 50%, l’injection d’air s’apparente à la digitation de Saffman-Taylor. Le mode de sélection des largeurs relatives et la stabilité des doigts sont modifiés par la présence des grains et la simple considération d’un fluide effectif ne peut suffire à les expliquer. Pour les fractions plus importantes, nous nous trouvons dans le cas d’un milieu poreux réorganisable. Lors de l’injection d’air ou de fluide interstitiel pur, l’écoulement peut se faire de deux façons : soit au travers de la structure granulaire restée fixe, soit en mobilisant en partie cette structure. Cela permet d’obtenir des structures vides de grains dont la taille dépasse celle des pores initiaux.

Titre traduit

Dynamics and instabilities of interfaces or free surfaces within a non-Brownian suspension

Résumé

This thesis studies the dynamical properties of interfaces or free-surfaces within or bounding granular suspensions. We propose to investigate experimentally these properties by injecting a pure fluid into an isodense granular suspension confined in a Hele-Shaw cell. For grain fractions below 50%, air injection yields patterns that are visually identical to Saffman-Taylor viscous fingering. However, the width selection and the stability of the fingers are modified and we demonstrate that these modifications do not follow from considering the suspension as a homogeneous fluid with renormalized viscosity. For higher grain fractions, we obtain a weakly consolidated porous media. When either air or suspending fluid is injected, there are then two mechanisms of flow of the pure fluids: through the fixed granular structure or by mobilising this structure. This leads to structures without grains whose width is larger than the pore size.