Déstabilisation de milieux granulaires – STABINGRAM

Le projet ANR STABINGRAM ambitionne de mieux comprendre et décrire les propriétés des milieux granulaires, secs ou immergés, dans leur phase dense en s’intéressant aux origines de la déstabilisation et aux écoulements qui peuvent s’en suivre dans plusieurs situations modèles. Bien que de nombreuses études aient largement amélioré notre compréhension des milieux granulaires, de nouvelles avancées théoriques sont entravées par des problèmes fondamentaux comme les effets d’histoire ou le caractère hétérogène des écoulements. Pour remédier à ces problèmes, les expérimentateurs doivent avoir accès à la dynamique locale (micro réarrangement et micro déplacements) conduisant à la transition solide-liquide dans les empilements granulaires. Ces études sont aujourd’hui possibles grâce à l’utilisation de techniques récemment développées et validées sur les milieux granulaires, comme la tomographie X, la diffusion de la lumière ou encore l’acoustique non linéaire. Les simulations numériques constituent également un outil de choix pour l’étude des aspects locaux, et l’amélioration des techniques (dynamiques moléculaire et dynamique de contact).
C’est autour de cette problématique fédératrice que nous avons choisi de présenter ce projet de recherche, dans une collaboration entre des laboratoires de Physique (partenaire 2 IPR pour les Sciences de la Matière), de Sciences pour l’Ingénieur (partenaire 1 FAST pour la Mécanique et partenaire 3 LAUM pour l’Acoustique), et de Sciences de la Terre et de l’Univers (partenaire 4 Géosciences Rennes), associés à des spécialistes de méthodes numériques (labos de maths d’Orsay et de l’Ecole Polytechnique) et modélisation (labo de phys. théo. d’Orsay). Cet aspect collaboratif interdisciplinaire est motivé par la complexité des phénomènes étudiés, par la large gamme de méthodes expérimentales et numériques utilisées ainsi que par les applications envisagées de ce projet en Sciences de la Terre.
Les expériences et simulations numériques proposées dans le projet Stabingram s’articulent autour de plusieurs questions scientifiques qui restent des « points durs » de la physique de la matière granulaire:
- Caractériser et comprendre les faibles variations/modifications de force de contact et micros réarrangements (précurseurs de mouvement ou de blocage) responsables de la déstabilisation des empilements (transition solide-liquide, fractures) ou des écoulements (blocage) ;
- Étudier le lien entre les précurseurs et la dynamique qui en résulte, ou entre la sollicitation et le précurseur, afin de différencier la part intrinsèque de la part résultant de la sollicitation dans le type de précurseur ;
- Etudier l’influence du fluide interstitiel sur le transitoire et la dynamique d’écoulement ainsi que dans l’acoustique pour des applications de sondages sous-marins.
Le programme scientifique, organisée en 3 tâches, consiste d’une part à la réalisation de plusieurs expériences de petite échelle conduisant à la déstabilisation d’empilements granulaires et à leur écoulement, d’autre part au développement et à l’adaptation d’outils expérimentaux et numériques pour l’étude de ces empilements au seuil de déstabilisation puis dans leur dynamique d’écoulement.
La tâche 1 est dédiée à la caractérisation des empilements au seuil de déstabilisation tandis que la tâche 2 a trait à la dynamique d’écoulement qui peut s’en suivre.
Les tâches 1 et 2 sont découpées en 3 sous-tâches, chacune ayant trait à un mode de sollicitation des empilements : (i) déstabilisation gravitaire par rotation suivie d’avalanche, (ii) déstabilisation par compression locale suivie de pénétration, (iii) déstabilisation par un jet fluide suivie de fluidisation ou d’érosion.
La tâche 3 est une tâche transverse comprenant 4 sous-tâches liées au développement d'outils expérimentaux (acoustique, diffusion de lumière, tomographie) et numériques (simulations par dynamique moléculaire et des contacts).