Modèles nonlocaux pour les écoulements granulaires complexes et cohésifs – MoNoCoCo

Les matériaux granulaires (poudres, grains) sont omniprésents dans les procédés industriels mais sont souvent problématiques à manipuler car ils peuvent former des agglomérats et donner lieu à des phénomènes de blocage : cela peut entraîner une consommation excessive d’énergie et ressources. Les procédés associés aux écoulements granulaires impliquent souvent des phénomènes tels que l'agglomération et la fracture des particules. De plus, de nombreux écoulements industriels et naturels peuvent être proches de la transition solide-fluide (jamming), qui se caractérise par un comportement hystérétique ainsi que par la formation de zones de cisaillement localisé (shear bands) et de zones stagnantes (ou de fluage). Ces matériaux sont intrinsèquement polydisperses, et donc, aux mécanismes cités ci-dessus , peut s’ajouter un transport préférentiel en fonction de la taille des particules (ségrégation). L’occurrence de tout ou partie de ces phénomènes peut être souhaitée (granulation, broyage, tri) ou redoutée (attrition lors du mélange, blocage des silos, séparation des produits). Dans tous les cas, afin d’optimiser durablement les procédés impliquant des écoulements complexes de poudres et/ou grains, des modèles numériques fiables sont nécessaires. Il est évident que les aspects critiques pour la modélisation sont (1) la généralité des lois de comportement, c'est-à-dire leur validité dans des géométries réalistes (en particulier en présence d’une localisation du cisaillement), ainsi que la prise en compte (2) de la polydispersité et de la ségrégation qui en découle, ( 3) de la cohésion entre particules (qui est plus élevée pour les particules fines ou humides), et (4) de la possibilité d'une évolution granulométrique par exemple par la fracture des grains.
Ce projet vise à répondre à ces enjeux en développant un cadre de modélisation continu « non local » applicable aux écoulements de matériaux granulaires complexes en tenant compte de la possibilité de cohésion entre particules, de l'effet de la polydispersité et de la fracture des particules sur la rhéologie. La modélisation sera fondée sur le couplage bidirectionnel de (1) une rhéologie non locale adaptée aux systèmes cohésifs, et (2) un modèle de type « bilan de population » permettant de décrire l’évolution spatio-temporelle de la distribution granulométrique (due à la ségrégation et à la rupture des particules).
Pour faire face aux enjeux posés, ce projet bilatéral France / Taïwan regroupe l'expertise complémentaire de deux laboratoires de recherche en caractérisation expérimentale, simulation numérique et modélisation des écoulements granulaires. En particulier, pour chaque tâche, le projet mobilisera des analyses à l’échelle de la particule (simulation par éléments discrets, techniques photoélastiques), des investigations à l’échelle de l’écoulement (cellules de cisaillement, rhéomètre) et la modélisation théorique prenant en compte le dialogue entre les échelles.
De nos jours, les procédés traitant des matériaux granulaires sont souvent conçus sur la seule base de connaissances empiriques. Dans cette perspective, d’un côté les procédés existants sont souvent peu efficaces et engendrent des coûts environnementaux élevés, et d’un autre côté, les nouvelles technologies peuvent mettre longtemps à s'imposer. Notre ambition est de faire progresser de manière significative le développement de lois de comportement pouvant être appliquées à la modélisation continue de procédés industriels impliquant des matériaux granulaires soumis à des effets de bords, de ségrégation et de fracture. La disponibilité de modèles pour le comportement des matériaux granulaires cohésifs et fragiles dans des configurations d'écoulement complexes permettra de concevoir de meilleures opérations unitaires et d’optimiser les procédés en respectant les contraintes environnementales et de ressources.