Etude expérimentale de l'effondrement d'une colonne fluide-grains

Autour de nous, les systèmes granulaires sont omniprésents et rarement dissociés d'une phase liquide ou gazeuse. L'interaction entre les deux phases (solide et fluide) implique une dynamique d'écoulement complexe de ces systèmes couplés. Cette thèse expérimentale a pour but de caractériser la dynamique d'effondrement gravitaire instationnaire d'une colonne fluide-grains dans différentes configurations de mélange diphasique. Considérant uniquement l'effet des grains au sein du fluide, la dynamique d'écoulement d'une suspension isodense dans l'air est d'abord abordée avec une description macroscopique. En particulier, La rhéologie du fluide apparent est extraite à partir de l'évolution temporelle du front en utilisant des solutions auto-similaires, modèles de la dynamique de propagation aux temps longs. Sur la gamme du nombre de Reynolds étudiée, la dynamique d'écoulement de la suspension est décrite comme celle d'un fluide apparent Newtonien ou non-Newtonien (rhéofluidifiant, rhéoépaississant, viscoplastique) dépendant des paramètres considérés (fraction volumique, viscosité du fluide interstitiel, diamètre des grains, protocole de préparation). Afin de décrire la configuration opposée d'un massif sédimentaire pour lequel les interactions entre particules solides deviennent dominantes, la configuration d'une colonne granulaire dense saturée en fluide, i.e. où les grains sont plus lourds que le fluide porteur, est ensuite étudiée. Un travail préliminaire est consacré à la caractérisation de l'effondrement d'une colonne granulaire totalement immergée dans un fluide. Le rôle dissipatif de ce dernier sur le milieu granulaire est mis en évidence par une analyse de la dynamique d'effondrement et des caractéristiques du dépôt final. Cette caractérisation permet de classifier les régimes d'effondrement en fonction de la viscosité et de la masse volumique du fluide environnant, i.e. du nombre de Stokes et du rapport de masse volumique entre le fluide et les grains. Dans le cas triphasique, i.e. lorsque la colonne fluide-grains s'effondre dans l'air, la dynamique peut être fortement affectée par les effets capillaires à travers le nombre de Bond qui contrôle alors la mise en mouvement de la colonne initiale. Quand ces effets deviennent négligeables à l'échelle de la colonne et à celle du grain, le fluide interstitiel peut jouer un rôle moteur ou dissipatif vis-à-vis dumilieu granulaire conduisant à une longueur d'étalement plus ou moins importante en comparaison au cas sec. Le rôle du fluide interstitiel dépend essentiellement de sa viscosité modifiant, par la même occasion, la dynamique d'effondrement. Enfin, une étude préliminaire sur la dynamique d'écoulement d'une suspension non-isodense, initialement homogène, est réalisée. Cette configuration, à la transition des situations décrites précédemment, permet d'aborder le couplage de la dynamique de sédimentation des grains et celle du courant. En particulier, nous observons que la vitesse de sédimentation décroît avec l'augmentation de la fraction volumiqueinitiale en particules

Collapse of a neutrally buoyant suspension column: from Newtonian to apparent non-Newtonian flow regimes

Experiments on the collapse of non-colloidal and neutrally buoyant particles suspended in a Newtonian fluid column are presented, in which the initial volume fraction of the suspension Phi, the viscosity of the interstitial fluid Muf , the diameter of the particles d and the mixing protocol, i.e. the initial preparation of the suspension, are varied. The temporal evolution of the slumping current highlights two main regimes: (i) an inertial-dominated regime followed by (ii) a viscous-dominated regime. The inertial regime is characterized by a constant-speed slumping which is shown to scale as in the case of a classical inertial dam-break. The viscous-dominated regime is observed as a decreasing-speed phase of the front evolution. Lubrication models for Newtonian and power-law fluids describe most of situations encountered in this regime, which strongly depends on the suspension parameters. The temporal evolution of the propagating front is used to extract the rheological parameters of the fluid models. At the early stages of the viscous-dominated regime, a constant effective shear viscosity, referred to as an apparent Newtonian viscous regime, is found to depend only on Phi and Muf for each mixing protocol. The obtained values are shown to be well fitted by the Krieger–Dougherty model whose parameters involved, say a critical volume fraction Phim and the exponent of divergence, depend on the mixing protocol, i.e. the microscale interaction between particles. On a longer time scale which depends on Phi, the front evolution is shown to slightly deviate from the apparent Newtonian model. In this apparent non-Newtonian viscous regime, the power-law model, indicating both shear-thinning and shear-thickening behaviours, is shown to be more appropriate to describe the front evolution. The present experiments indicate that the mixing protocol plays a crucial role in the selection of a shear-thinning or shear-thickening type of collapse, while the particle diameter d and volume fraction Phi play a significant role in the shear-thickening case. In all cases, the normalized effective consistency of the power-law fluid model is found to be a unique function of Phi. Finally, an apparent viscoplastic regime, characterized by a finite length spreading reached at finite time, is observed at high Phi. This regime is mostly observed for volume fractions larger than Phim and up to a volume fraction PhiM close to the random close packing fraction at which the initial column remains undeformed on opening the gate

Granular collapse in a fluid: Different flow regimes for an initially dense-packing

Laboratory experiments of the granular collapse of an initially dense-packing column in a fluid are reported. By extracting the temporal evolution of the granular material height profile, both the dynamics of the granular flow and the final deposit are characterized depending on the Stokes number St, based on a dissipative process at the grain scale, the grain-fluid density ratio r, and the aspect ratio a of the initial column. A full description of the granular collapse including the transient dynamics of the flow and the characterization of the final shape deposit is proposed. The main contribution of the present study is to provide (i) the St dependence on the granular collapse beyond the effect of the aspect ratio a already reported in previous studies, (ii) the characterization of granular flow regimes in the $((d/H_i)^{1/2}St,(d/H_i)^{1/2}r$) plane, where $d/H_i$ is the particle diameter to initial column height ratio, and (iii) simple correlations to describe the granular collapse which would be of interest for geophysical purposes

Extracorporeal Membrane Oxygenation for Severe Acute Respiratory Distress Syndrome associated with COVID-19: An Emulated Target Trial Analysis.

RATIONALE: Whether COVID patients may benefit from extracorporeal membrane oxygenation (ECMO) compared with conventional invasive mechanical ventilation (IMV) remains unknown. OBJECTIVES: To estimate the effect of ECMO on 90-Day mortality vs IMV only Methods: Among 4,244 critically ill adult patients with COVID-19 included in a multicenter cohort study, we emulated a target trial comparing the treatment strategies of initiating ECMO vs. no ECMO within 7 days of IMV in patients with severe acute respiratory distress syndrome (PaO2/FiO2 <80 or PaCO2 ≥60 mmHg). We controlled for confounding using a multivariable Cox model based on predefined variables. MAIN RESULTS: 1,235 patients met the full eligibility criteria for the emulated trial, among whom 164 patients initiated ECMO. The ECMO strategy had a higher survival probability at Day-7 from the onset of eligibility criteria (87% vs 83%, risk difference: 4%, 95% CI 0;9%) which decreased during follow-up (survival at Day-90: 63% vs 65%, risk difference: -2%, 95% CI -10;5%). However, ECMO was associated with higher survival when performed in high-volume ECMO centers or in regions where a specific ECMO network organization was set up to handle high demand, and when initiated within the first 4 days of MV and in profoundly hypoxemic patients. CONCLUSIONS: In an emulated trial based on a nationwide COVID-19 cohort, we found differential survival over time of an ECMO compared with a no-ECMO strategy. However, ECMO was consistently associated with better outcomes when performed in high-volume centers and in regions with ECMO capacities specifically organized to handle high demand. This article is open access and distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial No Derivatives License 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)

Experimental study of the granular-fluid column collapse

Autour de nous, les systèmes granulaires sont omniprésents et rarement dissociés d'une phase liquide ou gazeuse. L'interaction entre les deux phases (solide et fluide) implique une dynamique d'écoulement complexe de ces systèmes couplés. Cette thèse expérimentale a pour but de caractériser la dynamique d'effondrement gravitaire instationnaire d'une colonne fluide-grains dans différentes configurations de mélange diphasique. Considérant uniquement l'effet des grains au sein du fluide, la dynamique d'écoulement d'une suspension isodense dans l'air est d'abord abordée avec une description macroscopique. En particulier, La rhéologie du fluide apparent est extraite à partir de l'évolution temporelle du front en utilisant des solutions auto-similaires, modèles de la dynamique de propagation aux temps longs. Sur la gamme du nombre de Reynolds étudiée, la dynamique d'écoulement de la suspension est décrite comme celle d'un fluide apparent Newtonien ou non-Newtonien (rhéofluidifiant, rhéoépaississant, viscoplastique) dépendant des paramètres considérés (fraction volumique, viscosité du fluide interstitiel, diamètre des grains, protocole de préparation). Afin de décrire la configuration opposée d'un massif sédimentaire pour lequel les interactions entre particules solides deviennent dominantes, la configuration d'une colonne granulaire dense saturée en fluide, i.e. où les grains sont plus lourds que le fluide porteur, est ensuite étudiée. Un travail préliminaire est consacré à la caractérisation de l'effondrement d'une colonne granulaire totalement immergée dans un fluide. Le rôle dissipatif de ce dernier sur le milieu granulaire est mis en évidence par une analyse de la dynamique d'effondrement et des caractéristiques du dépôt final. Cette caractérisation permet de classifier les régimes d'effondrement en fonction de la viscosité et de la masse volumique du fluide environnant, i.e. du nombre de Stokes et du rapport de masse volumique entre le fluide et les grains. Dans le cas triphasique, i.e. lorsque la colonne fluide-grains s'effondre dans l'air, la dynamique peut être fortement affectée par les effets capillaires à travers le nombre de Bond qui contrôle alors la mise en mouvement de la colonne initiale. Quand ces effets deviennent négligeables à l'échelle de la colonne et à celle du grain, le fluide interstitiel peut jouer un rôle moteur ou dissipatif vis-à-vis dumilieu granulaire conduisant à une longueur d'étalement plus ou moins importante en comparaison au cas sec. Le rôle du fluide interstitiel dépend essentiellement de sa viscosité modifiant, par la même occasion, la dynamique d'effondrement. Enfin, une étude préliminaire sur la dynamique d'écoulement d'une suspension non-isodense, initialement homogène, est réalisée. Cette configuration, à la transition des situations décrites précédemment, permet d'aborder le couplage de la dynamique de sédimentation des grains et celle du courant. En particulier, nous observons que la vitesse de sédimentation décroît avec l'augmentation de la fraction volumiqueinitiale en particules.On the Earth's surface, granular medias are ubiquitous and they are rarely dissociated from a liquid or a gas. The fluid-solid interaction leads to a complex flow dynamics of these coupled systems. This experimental work aims at characterizing the dynamics of the unsteady gravitydrivencollapse of a granular-fluid column within different configurations of the diphasic mixture. First, the flow dynamics of a neutrally buoyant suspension in air are characterized based on a macroscopic description of the flow. In particular, the rheological parameters of the apparent fluid have been extracted using the temporal evolution of the propagating front and self-similar solutions, models of the propagating dynamics at long times. In the considered range of the Reynolds number, the flow dynamics are described as an apparent Newtonian or non-Newtonian (shear-thinning/-thickening, viscoplastic) fluid depending on the various parameters (volume fraction, viscosity of the interstitial fluid, particle diameter, mixing protocol). In order to describe the opposite case of a sedimentary environment where particle-particle interaction becomes dominant, a second part of this work investigates the case of a fluid-saturated granular collapse, i.e. for which particles are heavier than the carrier fluid, in a dense packing configuration. For this purpose, a first part of the study is dedicated to characterize the collapse of an immersed granular column. The dissipative role of the fluid on the granular media is highlighted by an analysis of the collapse dynamics and the characteristics of the final deposit. This characterization allows to classify the regimes of the collapse depending on the viscosity and the density of the surrounding fluid, i.e. the Stokes number and the fluid-grain density ratio. In the triphasic case, i.e. when the granular-fluid column collapses in air, the dynamics may be strongly affected by capillary effects through the Bond number which controls the initial dynamics of the column. When these effects can be neglected (large Bond number) at the column and grain scales, the interstitial fluid can have a driven or a dissipative role on the granular media leading to a runout length more or less extended in comparison to the dry case. The role of the interstitial fluid depends mainly on its viscosity which also modifies the collapse dynamics. Finally, a preliminary study is realized on the flow dynamics of an initially homogeneous negative buoyant suspension column. This case, which makes the transition between the above mentioned configurations, allows to study the coupling between the settling dynamics of particles and this of the current. In particular, we observe that the settling velocity decreases with the increase of the initial volume fraction of particles

From inertial to viscous slumping: Numerical and experimental insights of a transient intermediate regime

International audienceThe propagation of horizontal dam-break flows induced by the release of a rectangular column of a liquid phase into a negligible ambient fluid is investigated by combining numerical simulations and laboratory experiments. Varying both the geometry of the initial column and liquid properties, the parameter space covered allows the investigation of the transition from inertial to viscous slumping barely considered so far. In light of the Reynolds number Re based on the initial parameters of the fluid column, we report a newly investigated transient regime following the inertial slumping regime and prior to the viscous-dominated one. The transient intermediate regime is shown (i) to only exist for $Re\gtrsim10$ and (ii) to be characterized by an inertial overshoot followed by a strong deceleration of the front position accompanied by an excess and a deficit of fluid at the front and at the origin, respectively, with respect to the expected theoretical prediction of the viscous-dominated regime. Beyond the intuitive idea of an adaptive transition from the inertial to fully viscous slumping, these results highlight and quantify the influence of initial inertia on the spreading of a liquid, which may be particularly useful for modeling industrial and geophysical applications

Écoulement granulaire fluidisé impactant l'eau : Application aux tsunamis volcaniques

International audienceTsunamis generated by the collapse of a granular mass into water represent a low amount of documented tsunamis in the world. However, they can locally cause severe human and material damages as they occur near coastlines. In order to identify physical mecanisms controlling the features of induced waves, the simple configuration of a granular material entering into water has been widely investigated. This study extends the configuration to the case of a fluidized granular flow, representative of tsunamis generated by pyroclastic flows during volcanic eruptions. We show that, in dam-break configuration, the fluidization process enhances the mobility of the granular flow with larger front velocities and larger propagation distances of the mass. The consequence is a significant increase of the maximum wave amplitude in comparison to an analogous situation without fluidization. The influence of the impact velocity and of the mass on the amplitude of the wave is also supported by varying the initial height of the granular column released. Finally, we show that the level of water does not affect the characteristics of the wave, in the range of parameters considered here.Les tsunamis générés par l'entrée d'une masse granulaire dans l'eau ne représentent qu'une faible proportion des tsunamis répertoriés dans le monde. Toutefois, ils peuvent localement causer d'importants dégâts humains et matériels car ils sont généralement créés proche des côtes. Afin d'identifier les méca-nismes physiques contrôlant les propriétés des vagues induites, la configuration simplifiée d'un matériau granulaire impactant l'eau a été largement étudiée en laboratoire. Cette étude étend la configuration au cas d'un écoulement granulaire fluidisé, représentatif des tsunamis générés par des écoulements py-roclastiques lors d'éruptions volcaniques. Nous montrons qu'en configuration de rupture de barrage (dam-break), le processus de fluidisation améliore la mobilité de l'écoulement granulaire, caractérisée par une augmentation de la vitesse du front et de la distance de propagation de la masse. La consé-quence est une amplitude de vague plus grande par rapport à une situation analogue sans fluidisation. L'influence de la vitesse d'impact et de la masse sur l'amplitude de la vague est également confirmée en variant la hauteur initiale de la colonne granulaire relâchée. Finalement, nous montrons que la hauteur d'eau n'affecte pas les caractéristiques de la vague, dans la gamme des paramètres considérées ici

Etude expérimentale des tsunamis générés par les écoulements pyroclastiques

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Etude expérimentale des tsunamis générés par les écoulements pyroclastiques

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Experimental modeling of tsunamis generated by pyroclastic flows: Fluidized granular flows into water

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