Unstable Drainage of Frictional Fluids and Magnetic Control of the Mechanical Behavior of Confined Granular Media - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Unstable Drainage of Frictional Fluids and Magnetic Control of the Mechanical Behavior of Confined Granular Media

Drainage instable de fluides frictionnels et contrôle magnétique du comportement mécanique de milieux granulaires confinés

Résumé

The transport of immersed grains in confined environments is found in many industrial and natural situations with notably the recovery and transport of oil in pipelines, the decontamination of soils, the transport of sediments or the circulation of physiological fluids. The study of the slow drainage of a model system composed of a mixture of water and glass beads sedimented in a Hele-Shaw cell or a capillary showed the emergence of instabilities, with the formation of labyrinthine patterns and granular plugs. In this thesis, we have identified the physical parameters and conditions necessary for the triggering of such instabilities, controlled by the meniscus pushing the grains at the liquid/air interface. We have also highlighted a new unstable drainage regime leading to the periodic formation of dunes along the capillary. As the friction of the grains with the walls of the tube governs the formation of the plugs, we have also studied an original method to control these frictional interactions by using ferromagnetic particles: submitted to a magnetic field, they acquire a magnetic moment, leading to tunable interactions of pairs of magnetic dipoles. Considering all these anisotropic interactions within a confined granular column, we were able to demonstrate the emergence of a radial force along the walls of the silo, whose amplitude and direction is completely determined by the applied magnetic field. This "magnetic Janssen effect" allows to control the apparent mass of the granular column, paving the way towards the design of granular meta-materials whose mechanical (un)blocking properties can be remotely controlled or even programmed.
Le transport de grains immergés en milieux confinés se retrouve dans de nombreuses situations industrielles et naturelles avec notamment la récupération et le transport de pétrole en oléoducs, la décontamination de sols, le transport de sédiments ou encore la circulation de fluides physiologiques. L’étude du drainage lent d’un système modèle composé d’un mélange d’eau et billes de verres ayant sédimentées dans une cellule de Hele-Shaw ou un capillaire a démontré l’émergence d’instabilités, avec la formation de motifs labyrinthiques et de bouchons granulaires. Dans le cadre de cette thèse, nous avons identifié les paramètres physiques et conditions nécessaires au déclenchement de telles instabilités, contrôlées par le charriage des grains par le ménisque à l’interface liquide/air. Nous avons d’autre part mis en évidence un nouveau régime de drainage instable conduisant à la formation périodique de dunes le long du capillaire. La friction des grains avec les parois du tube gouvernant la formation des bouchons, nous avons également étudié une méthode originale permettant de contrôler ces interactions frictionnelles en utilisant des particules ferromagnétiques : soumises à un champ magnétique, elles acquièrent un moment magnétique, conduisant à des interactions de paires de dipôles magnétiques, ajustables. En considérant l’ensemble de ces interactions anisotropes au sein d’une colonne granulaire confinée, nous avons pu démontrer l’émergence d’une force radiale le long des parois du silo, dont l’amplitude et la direction est complétement déterminée par le champ magnétique appliqué. Cet « effet Janssen magnétique » permet alors de contrôler la masse apparente de la colonne granulaire, ouvrant la voie à la conception de métamatériaux granulaires dont les propriétés mécaniques de (dé)blocage peuvent être contrôlées à distance, voire programmées.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03543092 , version 1 (25-01-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03543092 , version 1

Citer

Louison Thorens. Unstable Drainage of Frictional Fluids and Magnetic Control of the Mechanical Behavior of Confined Granular Media. Soft Condensed Matter [cond-mat.soft]. Université de Lyon; Universitetet i Oslo, 2021. English. ⟨NNT : 2021LYSEN069⟩. ⟨tel-03543092⟩
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