Dynamics of dry granular flows in a vertical pipe: the effect of air flow
Dynamiques d'écoulements gaz/particules en conduite verticale
Résumé
The dynamics of dry granular flows in a vertical pipe has been studied both experimentally and theoretically.
At high and medium grain flow rates, one observes respectively a free fall regime and a density waves regime (sequences where dense regions and dilute zones alternate). A model has been developed to predict the relations between different parameters (flow rate, pressure, particle fraction); it demonstrates, in particular, the key part played by the interactions between air and the grains. This allows one to estimate friction forces between the grains and the walls and the various components of air and grain transport in the tube.
At low grain flow rates, an intermittent compact flow where pressure and particle fraction are strongly correlated is observed. A clear amplification of the pressure and particle fraction variations as the decompaction wave propagates upwards at the onset of the flow has been observed. These results can be reproduced by numerical simulations demonstrating the key role of the interactions between air and the grains. We have realized a specific study of the variation of the screening of the grains weight in a packing inside a vertical tube in relative motion. This study demonstrates that Janssen's model remains valid over a broad range of velocities. In addition, the motion of the walls induces a readjustment of the force distribution in the packing, reaching a very reproducible state. The dependence of these results on the relative humidity has been investigated and a strong influence on the grains/walls interactions has been demonstrated.
At high and medium grain flow rates, one observes respectively a free fall regime and a density waves regime (sequences where dense regions and dilute zones alternate). A model has been developed to predict the relations between different parameters (flow rate, pressure, particle fraction); it demonstrates, in particular, the key part played by the interactions between air and the grains. This allows one to estimate friction forces between the grains and the walls and the various components of air and grain transport in the tube.
At low grain flow rates, an intermittent compact flow where pressure and particle fraction are strongly correlated is observed. A clear amplification of the pressure and particle fraction variations as the decompaction wave propagates upwards at the onset of the flow has been observed. These results can be reproduced by numerical simulations demonstrating the key role of the interactions between air and the grains. We have realized a specific study of the variation of the screening of the grains weight in a packing inside a vertical tube in relative motion. This study demonstrates that Janssen's model remains valid over a broad range of velocities. In addition, the motion of the walls induces a readjustment of the force distribution in the packing, reaching a very reproducible state. The dependence of these results on the relative humidity has been investigated and a strong influence on the grains/walls interactions has been demonstrated.
Nous étudions expérimentalement et modélisons les différents régimes d'écoulements granulaires secs dans un tube vertical.
Pour des débits de grains élevés et moyens, on observe respectivement un régime de chute libre et un régime d'ondes de densité (succession de zones denses en billes et de régions plus diluées). Un modèle a été développé afin de prédire les relations entre les différents paramètres de l'écoulement (débit, pression, compacité); il démontre notamment le rôle essentiel joué par les interactions entre l'air et les grains. Il est ainsi possible d'estimer les forces de frottement entre les billes et les parois du tube ainsi que les différentes composantes du transport de l'air et des grains.
Pour des débits de grains plus faibles, on observe un régime d'écoulement compact intermittent pour lequel pression de l'air et compacité sont fortement corrélées. Un fort effet d'amplification des fluctuations de pression a également été identifié lorsque l'onde de décompaction se propage vers le haut du tube au démarrage de l'écoulement. La modélisation du régime intermittent fait apparaître le rôle primordial des frottements entre les grains et les parois. Pour mieux les comprendre, une étude spécifique a été entreprise pour étudier l'évolution de l'écrantage du poids d'une colonne de grains en mouvement relatif par rapport aux parois (modèle de Janssen). Cette étude a montré que ce modèle reste valable sur une large gamme de vitesses. Par ailleurs, le mouvement des parois provoque un réajustement des distributions des forces dans la colonne, qui atteint un état d'équilibre dynamique stationnaire très reproductible. Dans toutes ces expériences, l'influence de l'humidité a également été étudiée et une forte variation de l'interaction grains/parois a été mise en évidence.
Pour des débits de grains élevés et moyens, on observe respectivement un régime de chute libre et un régime d'ondes de densité (succession de zones denses en billes et de régions plus diluées). Un modèle a été développé afin de prédire les relations entre les différents paramètres de l'écoulement (débit, pression, compacité); il démontre notamment le rôle essentiel joué par les interactions entre l'air et les grains. Il est ainsi possible d'estimer les forces de frottement entre les billes et les parois du tube ainsi que les différentes composantes du transport de l'air et des grains.
Pour des débits de grains plus faibles, on observe un régime d'écoulement compact intermittent pour lequel pression de l'air et compacité sont fortement corrélées. Un fort effet d'amplification des fluctuations de pression a également été identifié lorsque l'onde de décompaction se propage vers le haut du tube au démarrage de l'écoulement. La modélisation du régime intermittent fait apparaître le rôle primordial des frottements entre les grains et les parois. Pour mieux les comprendre, une étude spécifique a été entreprise pour étudier l'évolution de l'écrantage du poids d'une colonne de grains en mouvement relatif par rapport aux parois (modèle de Janssen). Cette étude a montré que ce modèle reste valable sur une large gamme de vitesses. Par ailleurs, le mouvement des parois provoque un réajustement des distributions des forces dans la colonne, qui atteint un état d'équilibre dynamique stationnaire très reproductible. Dans toutes ces expériences, l'influence de l'humidité a également été étudiée et une forte variation de l'interaction grains/parois a été mise en évidence.
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