Stability of a granular layer on an inclined "fakir plane"

We present here experimental results on the effect of a forest of cylinder obstacles (nails) on the stability of a granular layer over a rough incline, in a so-called "fakir plane" configuration. The nail forest is found to increase the stability of the layer, the more for the densest array, and such an effect is recovered by a simple model taking into account the additional friction force exerted by the pillar forest onto the granular layer

Dense granular flow around a penetrating object: Experiments and hydrodynamic model

We present in this Letter experimental results on the bidimensional flow field around a cylinder penetrating into dense granular matter together with drag force measurements. A hydrodynamic model based on extended kinetic theory for dense granular flow reproduces well the flow localization close to the cylinder and the corresponding scalings of the drag force, which is found to not depend on velocity, but linearly on the pressure and on the cylinder diameter and weakly on the grain size. Such a regime is found to be valid at a low enough "granular" Reynolds number.Comment: 5 pages, 4 figure

From granular collapses to shallow water waves: A predictive model for tsunami generation

In this article, we present a predictive model for the amplitude of impulse waves generated by the collapse of a granular column into a water layer. The model, which combines the spreading dynamics of the grains and the wave hydrodynamics in shallow water, is successfully compared to a large dataset of laboratory experiments, and captures the influence of the initial parameters while giving an accurate prediction. Furthermore, the role played on the wave generation by two key dimensionless numbers, i.e., the global Froude number and the relative volume of the immersed deposit, is rationalized. These results provide a simplified, yet comprehensive, physical description of the generation of tsunami waves engendered by large-scale subaerial landslides, rockfalls, or cliff collapses in a shallow water

Morphologies des cratères d'érosion générés par un jet perpendiculaire

Nous présentons une étude de la morphologie des cratères obtenus lors de l'érosion d'un lit granulaire par un jet circulaire perpendiculaire. La forme asymptotique des cratères, qui restent axi-symétriques, est obtenue à l'aide d'un profilomètre Laser. Pour une distance jet-lit donnée, la forme des cratères évolue lorsque la vitesse du jet augmente. Ainsi trois morphologies types ont été répertoriées et étudiées en fonction du nombre de Shields inertiel global et de la distance du lit à l'origine virtuelle du jet. Lles mécanismes responsables de la transition d'une morphologie à une autre sont analysés

Vortex rings generated by a translating disk from start to stop

In this article, we investigate experimentally and numerically the time evolution of vortex rings generated by the translation of a rigid disk in a fluid initially at rest and submitted to an acceleration followed by a deceleration. The size of the disk and its motion in terms of stroke length and travel time are varied as control parameters. The start-up vortex ring created in the near wake of the disk is characterized experimentally by PIV, and the measurements agree quantitatively with axisymmetric numerical simulations performed with the Basilisk flow solver. The maximum radius and circulation of the annular vortex and its dynamics are shown to follow different power laws with the control parameters. The modeling adapted from Wedemeyer's two-dimensional theoretical calculations [E. Wedemeyer, Ausbildung eines Wirbelpaares an den Kanten einer Platte, Ingenieur-Archiv 30, (1961)] captures the observed scaling laws. Besides, after the disk stops, a secondary ``stopping" vortex ring is generated, which is shown to affect the motion of the main vortex ring

Force de résistance au mouvement d'un objet dans un milieu granulaire

Cette thèse porte sur la force de résistance au mouvement à faible vitesse d'un objet (sphère, cylindre ou disque) dans un empilement de grains dense et sec. Des expériences ont été menées sur deux dispositifs permettant un mouvement à vitesse contrôlée, en s intéressant à l influence des tailles des objets et des grains, des conditions aux limites de l empilement, de la gravité, et d une éventuelle vibration de l empilement. Dans un premier dispositif expérimental permettant un mouvement vertical, nous avons consacré une partie importante de ce travail à l'étude de la forte asymétrie de la force lors de cycles de pénétration/extraction d un cylindre horizontal et d une sphère. Pour tenter de comprendre l'origine de cette asymétrie, différentes conditions aux limites ont été considérées : parois rigides ou souples sur les côtés ou au fond de l empilement, surface libre ou surmontée d un couvercle plus ou moins chargé en haut de l empilement. La longueur caractéristique issue du champ de vitesse des grains autour d'un cylindre a été montrée comme la longueur pertinente à considérer pour le confinement latéral, ainsi que pour les déformations de la surface libre telles que la formation d un cratère consécutif à la pénétration ou d une bosse lors de l extraction. Ces déformations peuvent être retrouvées par intégration d un modèle de champ de vitesse autour de l objet. La présence d'un couvercle chargé a par ailleurs permis de mettre en évidence une riche et complexe variété de comportements, notamment en extraction où la force ne diminue plus avec la profondeur de l objet. Dans un second dispositif permettant le mouvement horizontal d un gros disque intrus à l intérieur d une couche de petits disques photoélastiques vibrés ou non, nous avons mesuré la force globale sur l intrus et visualisé les distributions de contraintes au sein du milieu granulaire. Au-delà des importantes fluctuations spatio-temporelles, des valeurs moyennes de force sur l intrus et des tenseurs locaux de contraintes et taux de déformations autour de l intrus ont pu être obtenus, dans la perspective d établir une loi de comportement locale pour le milieu. La vibration de la couche de grains a été montré pouvoir changer considérablement la dépendance de la force avec la vitesse de l intrus, avec un effet de fluidification du milieu.This thesis focuses on the force of resistance to the slow motion of an object (sphere, cylinder or disk) in a dense and dry granular medium. Experiments were conducted using two devices that permitted movement at constant velocity, with the aim of studying the influence of the object size, the grain size, the boundary conditions, and vibration of the grains. Using the first device in which the object moved vertically, we studied in detail the strong asymmetry of the resistance force during cycles of penetration/withdrawal of a horizontal cylinder and a sphere. In an attempt to understand the origin of this asymmetry, we implemented different boundary conditions: rigid and deformable walls on the sides and/or the bottom of the device, and free and quasi-rigid (loaded cover) conditions at the top. Previous work has shown that the characteristic length scale of the velocity field around a moving cylinder is the relevant length for both the lateral confinement and the deformation of the free surface, such as the formation of a crater during penetration or a mound during withdrawal. These deformation fields can be found by integrating a model of the velocity field around the object. Our use of a loaded-cover boundary condition has also revealed a variety of complex behaviors, including a force that no longer decreases with the depth of the object during the withdrawal phase. The second device allows the horizontal movement of a large hard intruder into a monolayer of small photoelastic disks which could be vibrated or not. Using this, we measured the overall force on the intruder and visualized the stress distribution in the granular medium. We were able to measure not only the large spatio-temporal velocity fluctuations, but also average values of the force on the intruder and the local stress and strain rate tensors around it, which allowed us to determine a local constitutive law for the medium. Finally, we have shown that vibration of the grains significantly changes the dependence of the force on the intruder speed, indicating a fluidization effect.PARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF

Érosion d'un lit granulaire par un jet

Nous étudions expérimentalement l'érosion d'un lit sédimentaire modèle par un jet. La configuration adoptée est quasi bidimensionnelle : le jet est une fine nappe d'eau qui impacte perpendiculairement un empilement de billes monodisperses en taille et densité, immergées dans l'eau. Nous nous sommes intéressés dans un premier temps à la caractérisation fine du seuil d'érosion en faisant varier la distance d'impact du jet sur le sédiment, la taille des grains et la viscosité du fluide. Trois régimes d’érosion ont été mis en évidence. Des visualisations du jet montrent que ces régimes sont liés à la nature du jet (laminaire stationnaire, instationnaire ou turbulent). Dans le domaine des paramètres exploré, le seuil d’érosion est bien décrit par un nombre de Shield inertiel critique basé sur la vitesse locale de l’écoulement

Dynamique d'avalanches sous-marines en cellule de Hele-Shaw

En inclinant un milieu granulaire immergé au-delà de son angle de stabilité, on provoque une avalanche. La durée de cette avalanche dépend de la taille du tas, et de la taille des grains et nous obtenons des avalanches pouvant durer plus de 8 heures ! Par contre la surface de chaque avalanche reste plate et l'angle du tas évolue en temps sur une portion d'une courbe unique. Des mesures par PIV (vélocimétrie par image de particules) donnent la vitesse des grains en paroi et montrent que l'avalanche démarre en quelques secondes seulement avant d'évoluer vers une lente relaxation de l'angle du tas. Une modélisation de l'écoulement par un coefficient de friction dépendant du cisaillement adimensionné permet de retrouver l'essentiel des résultats

Force de traînée dans un milieu granulaire ""chaud""

Nous étudions expérimentalement le déplacement à vitesse constante d'un disque intrus dans un empilement 2D dense de plus petits disques constituant un milieu granulaire modèle. Nous mesurons la force de traînée sur l'intrus, en variant sa vitesse et sa taille ainsi que la ""température"" du milieu par vibration. Deux régimes sont observés: à basse température (faibles vibrations), la force de traînée ne dépend pas de la vitesse de l'objet tandis qu'à haute température (fortes vibrations), la force de traînée présente une dépendance linéaire avec cette vitesse

Ecoulement dense autour d'une sphère traversant un nuage de grains

Une simulation bidimensionnelle d'une sphère se déplaçant à vitesse constante à l'intérieur d'un nuage de petits grains est présentée avec une méthode de type ?'Non-Smooth Contact Dynamic'' (sans effet de la gravité). Une zone granulaire dense, appelée ?'cluster'', à fraction volumique constante se construit progressivement autour de la sphère jusqu'à ce qu'un régime stationnaire apparaisse caractérisée par une taille constante du cluster en amont de la sphère qui augmente avec la fraction volumique initiale \phi_0 du nuage. Une analyse détaillée du champ de taux de déformation et du champ de contrainte à l'intérieur du cluster révèle que, malgré les variations spatiales de ces champs, le coefficient local de friction \mu et la fraction volumique \phi dépendent uniquement du nombre d'inertie I, ce qui signifie que la rhéologie du milieu granulaire est bien locale dans cet écoulement non parallèle. Les variations spatiales de I à l'intérieur même du cluster ne dépendent pas de la vitesse de déplacement de la sphère et explore une faible gamme allant de 0.01 à 0.1. L'influence des parois latérales sur l'écoulement et les forces est ensuite étudiée