Friction and jamming in dry granular flows
Ecoulements de grains secs: frottement et blocage
Résumé
The two subjects of this thesis are friction and jamming in dry granular flows. combining physical experiments and discrete numerical simulations, we study the rheological behaviour of model materials sheared between rough walls, in various geometries (plane shear cell, annular shear and inclined plane). We shox that the shear state of the granular material is entirely governed by the inertial dimensionless number I, related to the ratio between inertial and confinement forces. Weak (respectively large) values of I correspond to the quasi-static (respectively dynamic) regime. The constitutive law is then deduced from the measurement of the variation of dilatancy and effective friction with I. When the shear rate is controlled, we show that the transition between the quasi-static and the dynamic regimes is continuous. In this intermediate regime, the constitutive law does not depend on the mechanical characteristics of the grains (slightly or strongly dissipative) and remains qualitatively identical in the various shear geometries. Contrary to homogeneous flows, we notice a localisation of the shear whence the stress distribution is heterogenous. We observe that the flow becomes intermittent in the quasi-static regime. Conversely, when the shear stress is controlled, we show that the jamming transition between the quasi-static ant the dynamic regimes is discontinuous, hysteretic and presents strong similarities with the transition observed in thixotropic fluids (pastes, foams, etc.). The experiments, both in annular shear cell and down inclined plane, show that the range of shear rate cannot be reached in the steady state ("viscosity bifurcation"). Using discrete numerical simulations, we also show a discontinuous transition of the contact network during jamming. Then, we propose a model of the jamming, based on the trapping of the grains induced by the wall roughness. moreover we also show the interest of a nonlocal rheological model in the description of the jamming.
Cette thèse porte sur le frottement et le blocage des écoulements de grains secs. Notre étude rhéologique porte sur des matériaux modèles dans des géométries de cisaillement simple, annulaire et de plan incliné, et combine expériences et des simulations numériques discrètes. Nous montrons que l'état de cisaillement d'un matériau granulaire est entièrement déterminé par la connaissance du nombre inertiel sans dimension I, traduisant le rapport des forces d'inertie sur les forces de confinement. Les faibles I correspondent au régime quasi statique et les grands I au régime dynamique. La loi de comportement se déduit alors de la variation de la compacité et du frottement effectif avec ce nombre. En cisaillement à vitesse imposée, nous observons une transition progressive entre les régimes quasi statique et dynamique. Dans ce régime intermédiaire, la loi de comportement est indépendante des caractéristiques mécaniques du matériau (faiblement ou fortement dissipatif) et reste qualitativement identique dans les diverses géométries. On observe une localisation du cisaillement dans le cas où la distribution de contrainte est hétérogène, et des intermittences de l'écoulement dans la limite quasi statique. En cisaillement à force imposée, nous montrons que la transition fluide solide (blocage) est brutale, hystérétique et présente de fortes analogies avec celle observée pour des fluides thixotropes (pâtes, mousses, etc.). Les expériences, tant en cisaillement annulaire que sur plan incliné, montrent qu'il existe une plage de taux de cisaillement qui ne peut être atteinte de façon stable (bifurcation de viscosité). Ces différentes observations nous ont conduit à mesurer par simulation l'évolution de la structure du réseau de contacts lors de l'arrêt, et à modéliser l'hysteresis de seuil et la bifurcation de viscosité en tenant compte de la force de piégeage induite par la rugosité. Nos observations montrent aussi l'intérêt de modèle de rhéologie non locale dans la descritpion du phénomène de blocage.