Rhéologie et propriétés de vidange de milieux granulaires modèles : application à l’écoulement en silo

Rheology and draining properties of model granular materials : Application to silo flow

• Auteur / Autrice : Arthur Pascot
• Direction : Sébastien Kiesgen de Richter, Salaheddine Skali-Lami
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergie et mécanique
• Date : Soutenance le 01/12/2020
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Energies et Mécanique Théorique et Appliquée
• Jury : Président / Présidente : Claire Gaiani
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Kiesgen de Richter, Salaheddine Skali-Lami, Guillaume Ovarlez, Axelle Amon, Nicolas Vandewalle
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Ovarlez, Axelle Amon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Solides en vrac -- Écoulement

Silos à grains

Vibrations

Rhéologie

Dynamique des fluides

Milieux granulaires

Mots clés libres

Milieux granulaires

Rhéologie

Vidange de silo

Vibration

Granular materials

Rheology

Silo discharge

Vibration

Résumé

La vidange de grains dans un silo est une application très présente en industrie mais aussi un cas typique d'écoulement de milieux granulaires encore mal compris. Faute d'une réelle compréhension fondamentale, l'optimisation de cette application se fait de manière empirique comme par exemple en appliquant des vibrations pour aider l'écoulement. Comprendre cet écoulement, et en particulier le lien entre le débit apparent et la dynamique de réorganisation des particules, permettrait une avancée théorique et ouvrirait des pistes d'optimisation pratiques de ces écoulements en configuration industrielle. Dans cette thèse, nous présentons les résultats de l'analyse de la vidange de milieux granulaires modèles (billes sphériques monodispersées) dans un silo quasi-2D soumis à des vibrations mécaniques. Des expériences et des simulations numériques par éléments discrets (DEM) ont été menées pour comprendre l'influence de la géométrie du silo, des propriétés des grains et des caractéristiques des vibrations. Deux régimes d'écoulement ont ainsi été mis en évidence, gouvernés par le nombre de Froude Fr et la fréquence relative Ω des vibrations. Dans le premier régime, une diminution du débit est observée lorsque l'on augmente l'intensité des vibrations. Ce comportement est expliqué par la mise en mouvement par les vibrations de zones précédemment à l'arrêt et une plus forte dissipation d'énergie. Dans le second régime, une augmentation du débit est observée lorsque l'on augmente l'intensité des vibrations. Ce comportement provient de la nature intermittente de l'écoulement, qui se fait sous la forme de jets de matière engendrés par la propagation d'onde de choc dans tout le silo. Dans un premier temps, nous proposons pour chaque régime une loi empirique permettant de rendre compte de l'évolution du débit à partir des différents paramètres. Dans un second temps, nous analyserons l’écoulement à l’échelle locale pour relier le débit apparent à la dynamique locale des particules à travers la rhéologie de l'écoulement.

The discharge of grain in a silo is a common application in industry, but this typical granular flow is still not fully understood. Without a real fundamental understanding, the optimization of this application is done by empirical means, for example by applying vibrations to improve the discharge. Understanding the behaviour of this flow, and in particular the link between the apparent flow rate and the particle reorganization dynamics, would therefore allow a theoretical breakthrough and would open up practical ways of optimizing these flows in an industrial configuration. In this thesis, we study the discharge of model granular matter (monodisperse spherical beads) in a quasi-2D silo under the influence of mechanical vibrations. Experimental measurements and discrete element simulations (DEM) are performed to determine the effect of the geometry, particle properties and vibration characteristics. We evidence that vibrations make appear two distinct regimes, governed by the Froude number Fr and the relative frequency Ω of the vibrations. In the first regime, a decreased flow rate is observed when increasing the vibration intensity. This behavior is explained by the setting in motion, due to the vibration, of areas previously at rest and a higher energy dissipation. In the second regime, an increased flow rate is observed when increasing the vibration intensity. We find this behavior comes from the intermittent nature of the flow, with bursts of flow rate created by the propagation of shock waves all along the silo. As a first step, we propose for each regime an empirical law for the flow rate depending on the different parameters. Then, we studied the flow at the local scale in order to relate the apparent flow rate to local particle dynamics through flow rheology.