Mécanismes et dynamiques d’interactions entre grains et liquide : du matériau granulaire sec au mélange saturé

Mechanisms and dynamics of interactions between grains and liquid : from dry to wet granular media

• Auteur / Autrice : Guillaume Saingier
• Direction : Pierre Jop, Alban Sauret
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et Chimie des Matériaux
• Date : Soutenance le 19/09/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Surface du Verre et Interfaces (Aubervilliers, Seine-Saint-Denis)
• Jury : Président / Présidente : Lydéric Bocquet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascale Aussillous, Pierre-Yves Lagrée, Solenn Moro
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Élise Lorenceau, Stephan Herminghaus

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capillarité

Mécanique des fluides

Milieux granulaires

Mots clés libres

Écoulements granulaires

Capillarité

Mélange

Milieux poreux

Accrétion

Imbibition

Granular flows

Capillarity

Mixing

Porous media

Accretion

Imbibition

Résumé

Les matériaux granulaires sont omniprésents, tant dans la nature que dans l'industrie ou dans notre vie quotidienne. Les mélanger à un liquide constitue une opération de base dans de nombreux procédés industriels. Néanmoins, la compréhension et la modélisation des mécanismes d'échanges de liquide et de grains impliqués dans le mélange restent encore méconnus. Dans cette thèse, nous considérons les mécanismes d'interactions apparaissant à l'interface entre un matériau granulaire contenant une quantité variable de liquide et un écoulement de grains secs. En fonction de la quantité de liquide, la phase granulaire humide est soit érodée par l'écoulement sec, soit capte des grains par accrétion granulaire, soit transfère du liquide de la phase humide à la phase sèche par imprégnation. Dans un premier temps, nous nous intéressons aux mécanismes et aux dynamiques d'accrétion granulaire observés lors de l'impact d'un jet dilué de grains secs sur un substrat granulaire saturé en liquide. Nous mettons en avant le rôle du liquide aux interfaces dans la dynamique de croissance et les sources de dissipations énergétiques responsables de la capture des grains secs. Une expérience d'accrétion dans un écoulement dense et cisaillé permet ensuite d'étudier l'influence des propriétés de l'écoulement sur la dynamique de capture et d'établir une loi d'accrétion générale. Une configuration d'accrétion d'un agrégat isolé au sein d'un écoulement granulaire en tambour tournant permet enfin d'étendre notre étude au cas des matériaux granulaires non saturés en liquide, croissant par accrétion avant de s'éroder. Dans un second temps, nous étudions l'imprégnation dans un jet granulaire dense pénétrant dans un réservoir de liquide. En modélisant l'entrée des grains dans l'eau comme l'imprégnation d'un matériau poreux, nous mettons en évidence une relation entre la forme du front d'imbibition et la vitesse d'immersion, et caractérisons l'effet des propriétés physico-chimiques des grains. Ces travaux constituent une avancée dans la compréhension des phénomènes locaux impliqués dans le mélange entre grains et liquide et de la transition d'un milieu granulaire sec à humide.

Granular materials are ubiquitous, both in nature and in industry or in our daily life. Blending grains and liquid is a basic operation at the origin of many industrial processes. Nevertheless, the understanding and the modeling of the mechanisms of exchanges of liquid and grains, implied in the mixing process, remain largely unknown. In this PhD, we propose to investigate the mechanisms of interactions between a granular material containing a variable quantity of liquid and flowing dry grains. Depending on the amount of liquid, the wet granular phase can be eroded by the granular flow, or flowing grains can be captured by granular accretion or the liquid can be transported from the wet to the dry phase by impregnation. First, we focus on the mechanisms and the dynamics of granular accretion observed after the impact of a dilute granular jet on a wet granular substrate. We highlight the role of liquid interfaces on the growth dynamics and the sources of energy dissipations implied in the capture. Then, using an experiment of accretion with a dense and shear granular flow, we study the influence of the flow properties on the dynamics of capture and we propose a general accretion law. The rotating drum configuration with an isolated aggregate in a granular flow allows us to extend our investigation with the situation of unsaturated granular materials growing by accretion before being eroded. In the second part of the PhD, we study the impregnation in a dense granular jet penetrating into a liquid bath. By modeling the grains intrusion as the impregnation of a porous medium, we highlight the link between the shape of the front profile and the immersion speed. We also characterize the influence of the physico-chemical properties of the grains. This work constitutes a first step in the understanding of local phenomena implied in granular blending processes and the transition from dry to wet granular media.