Couplage rhéologie - microstructure d'une suspension de particules dans un fluide à seuil

Une suspension concentrée de particules présente des propriétés rhéologiques complexes, telles que rhéofluidification, différence de contraintes normales, …, même lorsque la rhéologie du fluide suspendant est simplement Newtonienne et que les interactions entre particules sont purement hydrodynamiques et de contact. Certaines de ces propriétés macroscopiques non triviales peuvent être expliquées par le comportement de la suspension à l’échelle locale, en particulier par sa microstructure à l’échelle des particules. Sous cisaillement stationnaire, une suspension Newtonienne développe une microstructure anisotrope, mise en évidence par la fonction de distribution de paires [Parsi & Gadala-Maria 87, Blanc et al 13], qui peut notamment expliquer l’apparition de différences de contraintes normales [Sierou & Brady 02]. Que se passe-t-il dans le cas où la rhéologie du fluide suspendant est complexe ? Nous étudions le cas de sphères dures non Browniennes en suspension dans un fluide à seuil. Ce matériau, qui présente un comportement élasto-visco-plastique, est ici une émulsion concentrée. Nous étudions le couplage entre comportement macroscopique et microstructure de cette suspension en associant rhéométrie classique dans un dispositif de cisaillement plan entre deux plateaux rotatifs d’espacement variable et imagerie 3D par microtomographie X. L’étude de la fonction de distribution de paires à 3D en cisaillement simple stationnaire montre une anisotropie de la microstructure de la suspension dans le plan vitesse-cisaillement, pour des écoulements rotationnel et d’écrasement. Le régime instationnaire est également étudié suite à diverses préparations (i.e., diverses histoires de cisaillement). Les propriétés élasto-plastiques (contrainte seuil de plasticité, allongement plastique maximal, module élastique de cisaillement) du matériau montrent alors de remarquables propriétés d’écrouissage (durcissement, modification de la ductilité) et de variations du module élastique de cisaillement, qui peuvent être reliées à sa microstructure. Il est ainsi possible de contrôler les propriétés élasto-plastiques initiales d’une suspension de particules dans un fluide à seuil via l’histoire des sollicitations

Statistical distributions in the folding of elastic structures

The behaviour of elastic structures undergoing large deformations is the result of the competition between confining conditions, self-avoidance and elasticity. This combination of multiple phenomena creates a geometrical frustration that leads to complex fold patterns. By studying the case of a rod confined isotropically into a disk, we show that the emergence of the complexity is associated with a well defined underlying statistical measure that determines the energy distribution of sub-elements,``branches'', of the rod. This result suggests that branches act as the ``microscopic'' degrees of freedom laying the foundations for a statistical mechanical theory of this athermal and amorphous system

TRANSITIONS ET COEXISTENCE SOLIDE-LIQUIDE DANS LES MATERIAUX GRANULAIRES

To better characterize destabilization, stopping and solid-liquid coexistence mechanisms, experiments and discrete simulations are performed on simple granular piles. Three issues were adressed during this PhD.The experimental study of the stopping transition of a pile after a surface flow shows long timescales, compared with the typical relaxation time of one grain under its weight. Two coexisting dynamics are observed during the stopping transition : Exponential relaxation periods and reactivation bursts consisting in spatially correlated grains displacements are observed, and taken into account within a probabilistic framework.The numerical study of a pile inclined below the avalanche angle shows the influence of the metastable domain –above the angle of repose– on its hysteretic response to quasi-static cyclic rotations. The weak contacts network is strongly affected by the exploration of the metastable domain. Correlations between micro-structure, stress and strain variables are discussed.Finally, unconfined granular flows over a rough incline allow to study experimentally the effective flow rule when static and flowing matter coexist. The selected characteristics (height, width, velocity) evolve logarithmically with time. The consideration of a static basal layer achieves to describe the experimental correlation between flowing depth and surface velocity, as observed for a confined flow, and to predict deposit morphologies (presence or not of levées).Pour comprendre les mécanismes de déstabilisation, d'arrêt et de coexistence des phases statiques (solide) et coulantes (liquide), nous réalisons expériences et simulations numériques d'empilements granulaires modèles. Trois sujets ont été abordés au cours de cette thèse.L'étude expérimentale de la transition d arrêt d'un empilement après un écoulement de surface met en évidence l'existence de relaxations de durée bien supérieure au temps de relaxation d'un grain sous l'action de son poids. Celle-ci est constituée de phases de relaxation et de réactivations liées à des déplacements corrélés des grains, prises en compte dans un modèle statistique.L'étude numérique d'un empilement incliné en deçà de l'angle d'avalanche met en évidence l'influence du domaine métastable –au-delà de l'angle de repos– sur ses propriétés hystérétiques au cours de cycles quasi-statiques. Le réseau des contacts faibles est très affecté par le passage dans le domaine métastable. Les corrélations entre micro-structure, contrainte et déformation sont discutées.Enfin, l'expérience d'un écoulement non confiné sur plan incliné permet d'étudier la loi d'écoulement dans le cas de la coexistence solide-liquide. Les caractéristiques s´electionnées par l'écoulement (épaisseur, largeur, vitesse) évoluent lentement avec le temps. La prise en compte de l'existence d'une couche basale statique permet de retrouver la corrélation entre épaisseur coulante et vitesse, comme pour un écoulement confiné, et de prédire la morphologie des dépôts (présence ou non de levées)

Wet granular flows over a rough inclined plane

International audienceMulti-phase flows encountered in nature or industry (landslides, mudflows, powder mixtures, ...) exhibit non trivial rheological properties, that can be understood better thanks to model materials and appropriate rheometers. Unsaturated wet granular materials, between dry granular and immersed ones (dense granular suspensions), are one example of multi-phase materials, which rheology was not studied much. We realize for the first time to our knowledge, experiments of wet granular flows over a rough inclined plane : our results show steady uniform flows for a wide range of parameters (the inclination angle and the mass flow-rate). We demonstrate the relevance of the cohesion stress τc well defined in the cohesive Mohr-Coulomd yield criterion τ = τc + μ0 P , with τ and P , the maximal values of the shear and pressure stresses respectively, and μ0 the static internal friction coefficient, for rapid flows. Thus this yield threshold should be extended to the rheology of rapid wet granular flows, by allowing the internal friction μ 6 = μ0 to differ from its static value μ0, after having understood its variations with the experimental parameters

A mechanism of strain hardening and Bauschinger effect: shear-history-dependent microstructure of elasto-plastic suspensions

Dispersing solid hard particles in an elasto-plastic material leads to important shear-history dependence of the behavior, namely strain hardening and Bauschinger effect. Strain hardening is observed as the progressive strengthening of a material during its plastic deformation and is usually associated with ductility, a property often sought after in composite materials to postpone fractures and failure. In addition, anisotropic mechanical properties are developed, the material resistance being larger in the direction of the imposed flow, which is referred to as the Bauschinger effect. We show that this is related here to shear-history-dependent particle-pair distribution functions. Roughness and interparticle contacts likely play a major role, as replacing hard particles by nondeformable bubbles modifies the suspension microstructure and suppresses strain hardening. Beyond suspensions, our study provides new insight in the understanding and control of strain hardening and Bauschinger effect in composite materials

A mechanism of strain hardening and Bauschinger effect: shear-history-dependent microstructure of elasto-plastic suspensions

Dispersing solid hard particles in an elasto-plastic material leads to important shear-history dependence of the behavior, namely strain hardening and Bauschinger effect. Strain hardening is observed as the progressive strengthening of a material during its plastic deformation and is usually associated with ductility, a property often sought after in composite materials to postpone fractures and failure. In addition, anisotropic mechanical properties are developed, the material resistance being larger in the direction of the imposed flow, which is referred to as the Bauschinger effect. We show that this is related here to shear-history-dependent particle-pair distribution functions. Roughness and interparticle contacts likely play a major role, as replacing hard particles by nondeformable bubbles modifies the suspension microstructure and suppresses strain hardening. Beyond suspensions, our study provides new insight in the understanding and control of strain hardening and Bauschinger effect in composite materials

Modulated segregation of a bidisperse granular mixture due to recirculation currents

A bidisperse medium of large sand particles and small glass beads is mixed in a cylindrical vessel that is put in rotational motion around an eccentric static rod. The subsequent segregation occurring in the system is investigated primarily at the free-surface where the large particles concentration globally increases towards a limit value while oscillating. In order to gain deeper understanding of the intrinsic mechanisms causing the segregation, we also explore the dynamics in the bulk. Average residual bulk displacements fields both vertically and orthoradially could then be measured and show a secondary flow that counteracts the segregation process