Phénomènes collectifs dans les matériaux granulaires : écoulements de surface et réarrangements internes dans des empilements modèles
Institution:
Paris 11Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
Granular media exhibit non-intuitive rheological and mechanical properties. They can flow as liquids but, under specific conditions, they can jam and resist to external stress without being sheared. In this thesis, the solid/liquid duality is investigated through two experiments whose main features are to allow to study the relationships between the individual behavior of beads and the one of the packing. In the first part, we consider the surface flows in an inclined packing. A continuous description based on depth averaged conservation equations (Saint-Venant approach) is first derived from the study of steady surface flows in a rotating drum. We then focus on the internal rheology of these flows and investigate the spatial correlation of the instantaneous velocity field and the fluctuations of the volume fraction. We demonstrate the existence of rigid clusters of grains embedded in the flows. Their size is power-law distributed from the grain size scale up to the thickness of the flowing layer. The implications of the absence of a characteristic length scale on available theoretical models of dense granular flows are discussed. The second part of the thesis deals with internal rearrangements in a packing submitted to a small perturbation. A small thermal dilation leads to giant electrical fluctuations in a pile of metallic beads. The statistical analysis of these fluctuations allows us to relate this electrical sensitivity to local tribological fluctuations rather than collective reorganizations of the contacts network as proposed in the past. We then visualize the grains micro-displacements entailed by adding a small overload to the surface. This experiment allows us to discuss the validity of the different approaches proposed to describe stress distribution in static packing.
Abstract FR:
Les matériaux granulaires possèdent des propriétés rhéologiques et mécaniques peu communes. Ils peuvent en effet s'écouler comme des liquides mais, sous certaines conditions, se bloquer et résister à des contraintes extérieures sans se déformer. Dans ce mémoire, nous étudions cette dualité solide/liquide à travers deux expériences permettant de faire le lien entre le comportement individuel des grains et celui de l'empilement. Tout d'abord on considère les écoulements à la surface d'un empilement incliné. Nous dérivons tout d'abord une description continue de leur dynamique à partir des équations de conservation intégrées sur l'épaisseur (approche de Saint-Venant) en étudiant les écoulements stationnaires dans un tambour tournant. Nous nous intéressons ensuite à la rhéologie du matériau et analysons les corrélations spatiales du champ de vitesse et les fluctuations de compacité. Nous montrons l'existence d'une forte concentration d'agrégats de grains trop denses pour pouvoir se déformer. Leur taille est distribuée en loi de puissance, sans échelle caractéristique. Nous discutons les implications de ces observations sur les approches théoriques proposées pour décrire les écoulements denses. La deuxième partie porte sur les réarrangements internes engendrés par une petite sollicitation extérieure dans un empilement apparemment statique. Une petite dilatation thermique engendre des fluctuations de conductance géantes dans un empilement de grains conducteurs. L'analyse statistique de ces fluctuations nous permet de relier cette sensibilité électrique à des fluctuations tribologiques locales et non à des réorganisations collectives du réseau des contacts comme cela a pu être suggéré par le passé. Nous visualisons dans un deuxième temps les micro-déplacements des grains engendrés par l'ajout d'une petite surcharge en surface. Cela nous permet de discuter la validité des différents modèles décrivant la répartition des contraintes dans un empilement statique.