Rhéologie des écoulements granulaires : variables internes et effets d'échelle

Résumé

Ce mémoire présente des travaux de thèse consacrés à la caractérisation et la modélisation des hétérogénéités spatio-temporelles dans les écoulements granulaires cisaillés entre deux parois rigides. De nombreuses simulations ont permis de révéler le rôle crucial des dimensions de l’écoulement et l’influence des interactions des grains avec les parois (avec leur rugosité) sur le comportement global. Pour des systèmes allant jusqu'à une épaisseur de cent diamètres, des profils de vitesse non homogènes ont été mis en évidence, alors que la contrainte cisaillante est constante dans le volume, mettant en défaut le modèle viscoplastique au sein de l’écoulement. Pour réconcilier ces deux observations, nous avons enrichi le modèle viscoplastique en reliant la viscosité à une variable interne qui porte la perturbation due à la présence des parois. Cette nouvelle formulation de la viscosité permet de rétablir la validité d'une loi de comportement locale prenant en compte simultanément l’épaisseur de l’écoulement, la rugosité des parois et le nombre inertiel.Cette dépendance de la viscosité à une variable interne liée à la connectivité des grains ou à leur agitation à compacité fixée, suggère que, d’une manière générale,les écoulements granulaires doivent être décrits en termes d’au moins trois paramètres en fonction du nombre inertiel : le coefficient de frottement, la compacité et la connectivité.

mots clés

Titre traduit

Rheology of granular flows : internal variables and size effects
Résumé

This PhD work is devoted to the description and modeling of spatiotemporal inhomogeneities in granular flows sheared between two rigid walls. Our extensive simulations reveal the crucial role played by flow dimensions and the interactions of the grains with the walls and their roughness. For granular systems with increasingly larger thickness, non uniform strain profiles are evidenced while the shear stress remains uniform. This observation contradicts the common viscoelastic approach based on inertial number in the bulk of the flow. In order to reconcile these observations, we propose a viscoplastic model by a introducing an internal variable carrying the wall-induced perturbations of the flow. This re-formulation of granular viscosity reaffirms the local rheology by accounting for flow thickness, wall routines and inertialeffects. The well-defined dependence of the viscosity on an internal variable pertaining to grain connectivity or kinematic randomness at constant packing fraction, suggests that granular flows should be described by at least three parameters as a function of the inertial number:friction coefficient, packing fraction and connectivity.