Systèmes particulaires denses – DEPS

Ce projet concerne la rhéologie et la cinématique des suspensions (particules solides dispersées dans un fluide) et des matériaux secs granulaires. Ces matériaux sont omniprésents dans la nature et l'industrie. Nous nous focalisons sur les suspensions en le régime de Stokes, où le nombre de Reynolds basé sur la taille des particules est suffisamment petit pour que l'inertie des particules et du fluide ne joue aucun rôle. Des exemples connus sont les aérosols, les émulsions dans l'industrie cosmétique ou alimentaire, les peintures, les encres. Lorsque le liquide interstitiel est un gaz, le matériau est dit sec; dans de tels systèmes, lorsque les particules sont plus grandes que 100 micromètres, l'effet du gaz est souvent négligeable. Nous nous référerons à de tels systèmes comme des matériaux granulaires, en accord avec la littérature. Des exemples familiers sont les céréales alimentaires, les minerais et le sable. Dans les matériaux granulaires aussi, notre intérêt est dans les régimes d'écoulement lent.

On suppose d'habitude que les interactions entre particules sont déterminés exclusivement par le fluide pour les suspensions, car les forces de lubrification augmentent fortement avec la diminution de la séparation et empêche tout contact direct. Dans les matériaux granulaires secs, par contre, le contact entre particules joue un rôle dominant dans la détermination de la contrainte. L'un des principaux objectifs de ce projet est d'unifier les descriptions des suspensions (interactions hydrodynamiques dominantes) et des granulaires (contacts dominants). Les expériences indiquent que le contact entre particules peut jouer un rôle important dans la rhéologie des suspensions lorsque la concentration est élevée. Nous cherchons à quantifier par des mesures rhéologiques et des simulations numériques dans quelle mesure le contact joue un rôle. Expérimentalement, nous proposons d'aborder ce problème en utilisant des particules dont les propriétés de surface sont modifiés, (i) en les enrobant avec une couche lisse ou molle, et (ii) en les rendant rugueuses. L'objectif théorique est de développer une description qui unifie les suspensions et les granulaires en (i) identifiant les paramètres sans dimension caractérisant l'effet de la viscosité du fluide, du contact, et de l'inertie, et (ii) obtenant une relation pour le tenseur des contraintes en fonction de ces paramètres et des variables de champ. Nos objectifs sont aussi de répondre à quelques questions ouvertes : quelles sont les différences de contraintes normales dans les matériaux granulaires secs et les suspensions denses ?; comment la rhéologie dépend des propriétés de surface des grains ?; Comment les caractéristiques microstructurales varient entre les suspensions denses et les matériaux granulaires secs ?. Les réponses à ces questions conduiront à une compréhension fondamentale de la rhéologie des matériaux particulaires, et donc à la formulation de modèles constitutifs plus précis .

Notre approche consistera à utiliser les outils rhéologiques non conventionnels que nous avons développés à Marseille et à Bangalore et à examiner comment la rhéologie macroscopique (en particulier la divergence à la transition de blocage et l'apparition de différences de contraintes normales) est influencée par la nature du contact entre les particules (rugosité de surface, frottement, déformabilité). Notre premier objectif est de fabriquer des particules sphériques ayant des propriétés de surface contrôlées. Une fois ces particules spécifiques produites, elles seront utilisées dans des mesures rhéologiques en utilisant les outils rhéologiques développés dans les deux groupes (rhéométrie à pression imposée, profilométrie pour les mesures de contraintes normales, et dispositif de Couette). Ces expériences seront complétées par des simulations numériques (dynamique stokésienne pour les suspensions et méthode des éléments discrets pour des écoulements granulaires qui sont censés converger près du blocage).