Ecole Doctorale

SCIENCES POUR L'INGENIEUR : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique

Spécialité

Sciences pour l'ingénieur : spécialité Mécanique et Physique des Fluides

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

Rhéologie,poudres,modélisation,Expériences,Milieux granulaires,

Keywords

Rheology,powders,modelisation,experiments,Granular media,

Titre de thèse

Rhéologie des poudres cohésives: expériences et modélisation
Cohesive powders rheology: modelisation and experiments

Date

Lundi 19 Juillet 2021 à 10:00

Adresse

IUSTI, 5 rue Enrico Fermi 13453 MARSEILLE cedex 13 Amphi Fermi

Jury

Directeur de these M. Maxime NICOLAS Aix Marseille Université / IUSTI
CoDirecteur de these M. Olivier POULIQUEN Aix-Marseille Université - CNRS IUSTI
Rapporteur M. Sébastien KIESGEN DE RICHTER Université de Lorraine
Rapporteur M. Pierre ROGNON Sydney University
Examinateur M. Frédéric RESTAGNO Université Paris-Saclay
Examinateur Mme Lydie STARON Sorbonne Université - CNRS
Examinateur Mme Marie-Caroline JULLIEN Université de Rennes - CNRS
Examinateur M. Thierry FAUG INRAé

Résumé de la thèse

Les milieux granulaires constituent une des ressources primaires les plus utilisées dans le monde, particulièrement dans l'industrie. Parmi la diversité de matériaux granulaires existants, les poudres cohésives constituent l'un des matériaux les plus délicats à manipuler. Comprendre le comportement de ces poudres en écoulement et développer des outils adaptés à leur manipulation constitue donc un enjeu industriel majeur, cependant la difficulté d’étudier ces poudres cohésives réside dans la diversité des interactions cohésives entre les grains qui les composent. Dans le but de comprendre les effets de la cohésion sur les écoulements de poudres, une première étape consiste donc à concevoir un milieu cohésif modèle dont on peut contrôler la cohésion, et qui soit peu sensible aux conditions expérimentales. Le travail proposé dans cette thèse est de développer des méthodes permettant de quantifier la cohésion d’un milieu granulaire cohésif modèle (CCGM) à différentes échelles, puis de concevoir des dispositifs expérimentaux permettant d'étudier le comportement du CCGM en écoulement. Les résultats expérimentaux seront comparés à des résultats obtenus grâce à des simulations numériques, basées sur un modèle de rhéologie granulaire continue à laquelle une contrainte seuil de mise en écoulement dépendante de la cohésion est ajoutée, réalisées par Pierre-Yves Lagrée et Anaïs Abramian, ainsi que des simulations de dynamiques des contacts réalisées par Lydie Staron et Sandip Mandal. La pertinence de cette modélisation continue sera discutée à travers les chapitres. Dans le chapitre 1 nous proposons une description de l’état des connaissances concernant les écoulements de milieux granulaires et de poudres. En particulier nous présentons une synthèse des connaissances actuelles sur les différents dispositifs expérimentaux utilisés pour étudier les milieux granulaires cohésifs. Concernant l'élaboration d'un milieu granulaire cohésif modèle, dans le chapitre 2 nous présenterons le processus de fabrication du CCGM, ainsi que les différentes méthodes utilisées pour quantifier la cohésion de ce milieu à l’échelle des grains aussi bien qu’à l’échelle macroscopique. Nous avons montré que la cohésion du CCGM n'est pas affectée par la température ou l'humidité environnante, les propriétés cohésives semblent rester stables sur une durée de 6 mois et nous avons également caractérisé l'effet de la cohésion sur la compacité. Dans le chapitre 3 nous avons étudié les conditions nécessaires pour éroder les grains présents à la surface d'un lit de grains cohésifs par un jet d'air orienté perpendiculairement au lit granulaire. Nous avons montré qu'une expérience d'érosion d'un lit granulaire cohésif permet de mesurer finement la cohésion inter-particules. Le chapitre 4 présente les résultats d'expériences d'effondrements de colonnes granulaires cohésives. Nous avons étudié la rupture de colonnes en fonction de leur hauteur et de la cohésion du milieu. Il semble qu'il est possible d'expliquer l'angle de rupture par un calcul de stabilité de la colonne et d'estimer la proportion de grains qui restent statiques. Les mesures d'étalement du CCGM lors de la chute sont comparées avec des simulations numériques continues. Nous avons montré qu'une rhéologie μ(I) cohésive capture correctement la tendance de l'étalement. Toutefois un travail plus fin sur l'effet de la cohésion sur les paramètres de la rhéologie semble nécessaire. Dans le chapitre 5 nous étudions la vidange de silo d'un milieu granulaire cohésif. Une première étude nous a permis de déterminer d'abord le seuil d'écoulement du CCGM à travers l'orifice d'un silo axisymétrique, puis une première estimation de l'effet de la cohésion sur le débit de vidange. Une seconde étude sur le champ de vitesse du milieu granulaire à la sortie d'un silo rectangulaire a montré que l'effet de la cohésion sur la vidange modifie essentiellement la vitesse de sortie du matériau et non sa dilatance.

Thesis resume

Granular media is one of the most widely used primary resources in the world, particularly in industry. Among the diversity of existing granular materials, cohesive powders are one of the more challenging material to handle. Understanding the behaviour of these powders and developing adapted tools to their handling is therefore a major industrial challenge. However, the difficulty of studying these cohesive powders lies in the diversity of cohesive interactions between the grains. In order to understand the effects of cohesion on powder flows, a first step is to design a model cohesive medium whose cohesion can be controlled and which is weakly sensitive to experimental conditions. The work proposed in this thesis is to develop methods to characterize and quantify the inter-particle cohesion as well as the macroscopic cohesion of a model cohesive granular medium (CCGM), and then to design experimental devices to study the flow behaviour of the CCGM. The experimental results will be compared to results obtained through numerical simulations, based on a model of continuous granular rheology enhanced with a yield stress, carried out by Pierre-Yves Lagrée and Anaïs Abramian, as well as contact dynamics simulations by Lydie Staron and Sandip Mandal. In Chapter 1 we provide a description of the state of knowledge regarding granular media and powder flows. In particular, we present a synthesis of the current knowledge on the different experimental devices used to study cohesive granular media. Regarding the development of a model cohesive granular medium, in Chapter 2 we will present the manufacturing process of the CCGM, and the different methods used to quantify the cohesion of this medium at the grain scale as well as at the macroscopic scale. We showed that the cohesion of the CCGM is not affected by the surrounding temperature or humidity, the cohesive properties seem to remain stable over a 6 month period and we also characterized the effect of cohesion on the volume fraction. In Chapter 3 we investigate the necessary conditions to erode the grains present on the surface of a bed of cohesive grains by an air jet oriented perpendicularly to the granular bed. We have shown that an erosion experiment of a cohesive granular bed allows to measure finely inter-particle cohesion. Chapter 4 presents the results of cohesive granular column collapse experiments. We studied the rupture of columns according to their height and their cohesion. It appears that it is possible to predict the fracture angle a stability criterion and estimate the proportion of grains that remain static. The column spread measurements during the fall are compared with continuous numerical simulations. We have shown that a μ(I) rheology enhanced with a yield stress correctly captures the spreading trend. However, a more detailed work on the effect of cohesion on rheology parameters seems necessary to capture the final state of the collapse. In Chapter 5, we study the discharge of a silo filled with a cohesive granular medium. A first study allowed us to first determine the threshold of flowability of the CCGM through the orifice of an axisymmetrical silo as a function of the cohesion, then the measure of the flow rate during the discharge provides an initial estimate of the effect of cohesion on the flow. A second study on the velocity field of the granular medium at the outlet of a rectangular silo showed that the effect of cohesion on the flow rate essentially modify the velocity of the material and has little to no effect on its dilatancy.