Simulation et modélisation de milieux granulaire confinés

Simulation and modeling of confined granular medium

• Auteur / Autrice : Merline Flore Djouwe Meffeja
• Direction : Patrick Richard, Édouard Canot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière (Rennes ; 1996-2016)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université européenne de Bretagne (2007-2016)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique moléculaire

Navier-Stokes, Équations de

Fluides non newtoniens

Rhéologie

Milieux granulaires

Résumé

"De par leurs applications industrielles et géophysiques, les écoulements de matériaux granulaires ont une place prépondérante dans notre environnement. Cette thèse a pour objet l'étude de ces écoulements par simulation numérique de type "éléments discrets" (où les grains sont traités de manière explicite) et de type "milieu continu" (où le matériau se comporte comme un milieu effectif obéissant à une rhéologie donnée). Nous avons tout d'abord étudié par la méthode "éléments discrets" des écoulements granulaires en silo. En modifiant les propriétés micromécaniques des grains (restitution et de frottement) nous avons montré qu'elles avaient une influence significative sur le débit de vidange. Une étude fine du comportement des grains a montré que cette influence incombait à une variation de compacité au niveau de l'orifice de sortie, les vitesses des grains étant très peu modifiées. Bien que les modélisations de type "éléments discrets" permettent d'accéder à toutes les propriétés individuelles des grains, elles ont un inconvénient majeur : le temps de calcul est très important ce qui proscrit la modélisation de situations géophysiques ou industrielles. Afin de pallier ce défaut, nous avons utilisé l'approche "milieu continu" en considérant que le milieu granulaire étudié obéissait à une rhéologie récemment proposée dans la littérature. Après avoir discuté son implémentation numérique, nous avons étudié de façon semi-analytique cette rhéologie pour des écoulements stationnaires et établis et cela dans deux configurations : une cellule de cisaillement et un chenal. Cela nous a permis de mettre en évidence les différences entre un milieu granulaire et un fluide newtonien. "

Because of their industrial and geophysical applications, granular flows have a prominent place in our environment. In this thesis, we study these flows by numerical simulation of type "discrete elements" (where the grains are treated explicitly) and of type "continuous medium" (where the granular material behaves as an effective medium obeying a given rheology). We first studied the granular flows by the "discrete elements" method in silo geometries. By changing the micro-mechanical properties of the grains (restitution and friction) we showed that they had a significant influence on the flow discharge. A detailed study of the behavior of grains has shown that this influence comes from a variation of the packing fraction at the outlet of the silo, the grains velocity experiencing very little change. Although models such as "discrete elements" provide access to all the individual properties of the grains, they have one major drawback : the computation time is very important that prohibits the modeling of geophysical and industrial situations. To overcome this problem, we used the "continuous medium" approach, which consider that the granular medium studied follows a rheology recently proposed in the literature. After discussing the numerical implementation, we have studied this rheology for steady and fully developed flows with a semi-analytical method in two configurations: a shear cell and a channel. This allowed us to highlight the differences between a granular medium and a Newtonian fluid.