Birth, life and death of a granular raft - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Birth, life and death of a granular raft

Naissance, vie et mort d'un radeau granulaire

Antoine Lagarde

Résumé

We study the life of an axisymmetric monolayer of particles called a granular raft floating at an oil-water interface, from its formation to its sinking. We first look at the capillary interaction between a pair of beads, and generalize the result to a pair of granular rafts. The force strongly depends on the number of particles in each raft, a result that we understand by looking at the interfacial deformation each individual raft creates. Then, we explore the interaction between numerous granular rafts of different sizes randomly distributed. The aggregation is faster when the particles are initially more concentrated at the interface. The individual motion of each bead cannot be solved, but the overall clustering can be described statistically. The cluster-size distribution appears to answer to a self-similar evolution that we characterize. After that, we focus on the structural changes a granular raft can experience during its motion, and more precisely to its erosion. The cohesion of an entire raft is far higher than expected by the usual capillary theory. The same high cohesion is found between two beads in contact. A precise description of the position of the contact line accounts for the unexpectedly high resistance to erosion. Finally, we explore the dynamics of sinking of a granular raft, which happens when the vertical deflection of the interface exceeds a critical deformation. The oil thread formed during the sinking thins following an unusual path between the two classical self-similar regimes, delaying the onset of the final regime. This result emphasizes the decisive role boundary conditions can play in the transition between self-similarities.
Nous étudions le devenir d'une monocouche de particules à une interface huile-eau, appelée radeau granulaire, depuis sa formation jusqu'à son naufrage. Nous nous attaquons d'abord à l'interaction capillaire entre deux particules, que nous généralisons ensuite à deux radeaux granulaires. Cette force dépend fortement du nombre de particules, une conséquence directe de la déformation que chacun des radeaux impose à l'interface. Nous explorons ensuite l'interaction entre de nombreux radeaux granulaires répartis aléatoirement à l'interface. Leur agrégation est d'autant plus rapide que la distance initiale qui les sépare est faible. Le mouvement de chaque radeau ne peut être résolu analytiquement, mais l'agrégation dans son ensemble peut être décrite statistiquement. La distribution des tailles de radeaux évolue ainsi de manière auto-similaire. Nous nous tournons ensuite vers les changements structuraux qu'un radeau granulaire peut subir au cours de son mouvement, à savoir son érosion. Sa cohésion est bien supérieure à ce que prédit la théorie classique, un résultat que nous retrouvons également pour deux billes en contact. La description précise de la géométrie de la ligne de contact permet d'expliquer cette résistance étonnement grande à l'érosion. Pour finir, nous nous concentrons sur le naufrage d'un radeau granulaire, lorsque la déflexion verticale de l'interface devient trop grande. Le filament d'huile formé s'amincit en suivant un régime transitoire inhabituel, ce qui retarde l'apparition du régime final attendu. Ce résultat met l'accent sur le rôle décisif que les conditions aux limites peuvent jouer dans la transition entre deux régimes auto-similaires.
Fichier principal
Vignette du fichier
2020SORUS054.pdf (39.55 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03182506 , version 1 (26-03-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03182506 , version 1

Citer

Antoine Lagarde. Birth, life and death of a granular raft. Fluid mechanics [physics.class-ph]. Sorbonne Université, 2020. English. ⟨NNT : 2020SORUS054⟩. ⟨tel-03182506⟩
177 Consultations
20 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More