Trainée et portance dans les milieux granulaires

Drag and lift forces in granular media

• Auteur / Autrice : François Guillard
• Direction : Olivier Pouliquen, Yoël Forterre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et Physique des Fluides
• Date : Soutenance le 11/12/2013
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille ; 2000-....)
• Jury : Président / Présidente : Farhang Radjai
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yoël Forterre, Evelyne Kolb, Frédéric Boyer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Taberlet, Pierre-Yves Lagrée

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contraintes (mécanique)

Matériaux -- Essais dynamiques

Dynamique moléculaire

Milieux granulaires

Mots clés libres

Traînée

Portance

Forces

Milieux granulaires

Ségrégation granulaire

Expériences

Simulations de dynamique moléculaire

Drag

Lift

Granular media

Granular segregation

Experiments

Molecular dynamics simulations

Résumé

Cette thèse présente une étude expérimentale et numérique des forces s'exerçant sur un objet en mouvement dans un milieu granulaire. La compréhension précise de ces forces présente en effet d'importants intérêts fondamentaux (rhéologie des milieux granulaires, phénomène de ségrégation) et appliqués (robotique, locomotion animale ...). Expérimentalement, un cylindre horizontal est mis en rotation à faible vitesse dans un bac de billes de verre. Les forces s'exerçant sur cet objet dans la direction du mouvement (forces de traînée) et dans la direction verticale (forces de portance) sont mesurées.Lors du premier demi-tour, avant que le cylindre ne repasse dans son propre sillage, nous mettons en évidence l'existence d'une force de portance élevée sur l'objet (bien qu'il soit symétrique), de l'ordre de 20 fois la poussée d'Archimède du milieu, et indépendante de la profondeur. Des études numériques de dynamique moléculaire (méthode éléments discrets) permettent de comprendre comment cette portance émerge de la modification de l'écoulement granulaire par la présence d'un gradient de pression dans le milieu. Aux temps longs, après plusieurs rotations du cylindre, on observe une chute de la force de traînée, qui devient indépendante de la profondeur. Le milieu se structure sous l'effet des passages répétés du cylindre dans son sillage, ce qui écrante le poids des grains situés au dessus. Enfin, une étude numérique des forces sur une grosse particule en écoulement avec le milieu granulaire est ébauchée, en lien avec le phénomène de ségrégation granulaire.

This thesis presents an experimental and numerical study of the forces experienced by an object moving in granular media. This problem, which is of practical importance in many applications (robots, animal locomotion), is also of fundamental interest (rheology of granular materials, granular segregation). The experiment consists in a horizontal cylinder rotating around the vertical axis in glass beads. Both drag forces and lift forces experienced by the cylinder are measured.During the first half rotation, before the cylinder crosses its own wake, we measure a strong lift force (despite the symmetry of the object), about 20 times the buoyancy of the cylinder, and independent of its depth. Molecular dynamic simulations (Discrete Element Method) shed lights on how this lift force arises from the modification of the grain flow due to the pressure gradient in the medium. After several rotations, when the cylinder goes through its own wake, the drag force drops and becomes independent of depth. The rotation of the cylinder induces a structure in the granular packing, which screens the weight of the grains above it. Finally, a numerical study of forces on a large particle flowing with the granular medium is sketched, in relation with the phenomenon of granular segregation.