Instabilités de surface et écoulement de grains sous contrainte - Thèses de l'ENS de Lyon
Theses Year : 2024

Surface instabilities and flow of grains under stress

Instabilités de surface et écoulement de grains sous contrainte

Antoine Dop
  • Function : Author
  • PersonId : 1420852
  • IdRef : 279936400

Abstract

There are many different pattern formation processes in granular materials. In the first part, we have studied the behaviour of a boat-shaped slider pulled across a granular bed, by means of laboratory experiments as well as 2D numerical simulations using the discrete elements method. This slider has two degrees of freedom and we restrict the study to the quasistatic regime. Depending on its mass and geometry, its motion is sometimes unstable leading to topography oscillations in its wake, which we have characterized depending on the parameters of the problem. Unlike the well-studied washboard road instability, no velocity threshold is observed. In particular, we have showed that this new instability gets larger as the front angle of the boat is increased, and also that it vanishes for very light and very heavy sliders. Moreover, we have seen that it was relevant to divide the wavelength, amplitude and the mass by the length of the boat, implying that the confining pressure is the relevant parameter to describe the problem. Several other configurations as well as various measurements have been investigated in attempt to model the phenomenon. In the second part, we have numerically investigated the flow of grains down an inclined plane, a fraction of which are permanent magnets. The resulting flow is well known and a Bagnold profile is observed. We have studied the dynamics of the magnets which form aggregates, which in turn rise to the free surface of the flow. These two processes (aggregation and segregation) depend both on the magnetization of the magnets as well as their concentration.
Il existe de nombreux processus de formation de motifs dans les milieux granulaires. Dans la première partie de cette thèse, nous avons étudié l’un d’eux en explorant le comportement d’un patin (en forme de bateau) tracté à la surface d’un lit granulaire, à la fois par des expériences de laboratoire et des simulations numériques 2D par la méthode des éléments discrets. Ce patin possède deux degrés de liberté et l’étude est restreinte au cas quasistatique. Selon sa masse et sa géométrie, son mouvement peut devenir instable, générant des oscillations de topographie dans son sillage. Ces oscillations ne présentent pas de vitesse seuil, contrairement au cas de l’instabilité de tôle ondulée. Nous les avons caractérisées en fonction des paramètres du problème. En particulier, nous avons montré que l’instabilité est plus prononcée lorsque l’angle situé à l’avant du patin est plus marqué, mais aussi que celle-ci disparaît lorsque le patin est trop lourd ou trop léger. Nous avons pointé la pression de confinement comme le paramètre pertinent pour décrire le problème. Dans une seconde partie, nous avons réalisé des simulations numériques d’écoulement d’un milieu granulaire sur un plan incliné, dont une partie des grains sont aimantés. L’écoulement qui s’établit est bien connu et correspond à un profil de Bagnold. Nous avons étudié la dynamique des particules aimantées qui forment des agrégats magnétiques, lesquels remontent à la surface libre de l’écoulement avec le temps. Ces deux processus d’agrégation et de ségrégation dépendent à la fois de la magnétisation des aimants mais aussi de leur concentration.
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Dates and versions

tel-04717298 , version 1 (01-10-2024)

Identifiers

  • HAL Id : tel-04717298 , version 1

Cite

Antoine Dop. Instabilités de surface et écoulement de grains sous contrainte. Matière Condensée [cond-mat]. Ecole normale supérieure de lyon - ENS LYON, 2024. Français. ⟨NNT : 2024ENSL0026⟩. ⟨tel-04717298⟩
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