Ondes dans les milieux granulaires : de l’échelle microscopique à l’échelle macroscopique.

Waves in granular media : from microscopic scale to macroscopic scale.

• Auteur / Autrice : Kamil Chrząszcz
• Direction : Imad Tawfiq
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance le 15/09/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Quartz (Saint-Ouen, Seine-Saint-Denis)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Doaré
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Imad Tawfiq, Olivier Doaré, Stéphane Job, Georgios L. Theocharis, Noureddine Bouhaddi
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nicolas Dauchez, Xavier Noblin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rhéologie

Fluides

Ondes sonores

Milieux granulaires

Mots clés libres

Milieux granulaires

Ondes acoustiques

Dynamique du contact

Fluide

Rhéologie

Granular media

Acoustic wave

Contact dynamics

Fluid

Rheology

Résumé

Cette thèse porte sur l’étude de la propagation d’ondes mécaniques dans des milieux granulaires secs ou mouillés, avec pour objectif de relier les phénomènes de l’échelle microscopique (dynamique des grains, potentiels d’interactions entre particules, rhéologie du fluide interstitiel) aux propriétés de l’échelle macroscopique (relation de dispersion, vitesse et atténuation des ondes dans l’approximation des grandes longueurs d’ondes). Les systèmes étudiés sont soit des milieux granulaires unidimensionnels de grande taille, analogues des chemins de plus forts contacts entre particules (les chaînes de force) dans les empilements de grains réels, soit les milieux granulaires réels eux-mêmes. Dans un premier temps, nous étudions expérimentalement la transmission d’ondes au travers d’un alignement de sphères centimétriques sèches, que nous modélisons via le potentiel de Hertz. Nous montrons que le couplage élastofrictionnel entre les grains et un substrat (le support des sphères) engendre un potentiel élastique local, qui induit à son tour une bande interdite a fréquence nulle dans la fonction de transfert. Dans un deuxième temps, nous montrons que la présence d'une quantité infime de fluide visqueux au contact entre chaque particule induit une interaction élasto-hydrodynamique (EHD). Ce dernier induit une modification de l’atténuation des ondes et une augmentation très significative de la vitesse de propagation, qui dans ce cas dépendent de manière non-triviale de l’élasticité des particules, de la viscosité du fluide et de la fréquence. Dans un troisième temps, nous vérifions la fiabilité de notre analyse pour décrire la propagation d'ondes ultrasonores dans des milieux granulaires réels, tel que le sable mouillé ou non ; les particules sont ici des sphères millimétriques. Dans le cas sec, nos résultats sont en accord avec un modèle connu de milieux effectifs (EMT) qui relève de l’interaction de Hertz-Mindlin dans l'approximation des grandes longueurs d'ondes. Dans le cas mouille, le modèle EMT combiné à un mécanisme EHD reproduit de manière acceptable nos observations préliminaires.

This thesis deals with the study of mechanical wave propagation in dry or wet granular media, with the aim of relating the phenomena at the microscopic scale (particles dynamics, interaction potentials between grains, rheology of the interstitial fluid) to the features at the macroscopic scale (dispersion relation, wave speed and attenuation in the long wavelength approximation). The systems under study are either large one-dimensional granular media, as the analogs of the paths of the most compressed grains (the force chains) in real granular packings, or the real granular media themselves. In a first place, we study experimentally the wave transmission through alignments of dry centimetric spheres, which we model via the Hertz potential. We show that the elasto-frictional coupling between the grains and a substrate (the spheres’ support) induces an on-site elastic potential, which in turn induces a band gap at zero frequency in the transfer function. In a second place, we show that the presence of an infinitesimal amount of viscous fluid at the contact between every particle induces an elasto-hydrodynamic (EHD) interaction. The later affects the attenuation of waves in addition to a significant increase of the wave speed, which in this case both non-trivially depend on the elasticity of the particles, on the viscosity of the fluid and on the frequency. In a third place, we check the reliability of our analysis to describe ultrasonic wave propagation in real granular materials such as dry or wet sand; our particles are here millimetric spheres. In the dry configuration, our results are consistent with an effective medium theory (EMT) which relies on the Hertz-Mindlin interaction in the long wavelength approximation. In the wet configuration, the EMT model combined with an EHD mechanism fairly reproduces our preliminary observations.