Viscoélasticité des milieux granulaires denses - Université de Lorraine Access content directly
Accreditation To Supervise Research Year : 2013

Viscoelasticity of dense granular media

Viscoélasticité des milieux granulaires denses

Philippe Marchal

Abstract

By means of a stress imposed rheometer coupled with a "vibrating cell", generating a Brownian motion at a macroscopic scale into the samples, we have shown that dense-phase vibrated powders exhibit rheological behaviours archetypal of non-Newtonian visco-elastic fluids and show very close analogies with molecular media near their glass transition. These behaviours have been described through a "free volume" structural model based on a phenomenological two-state approach related to the inherent bimodal behaviour of chain forces in granular packing, the transition between these two states being induced by shear and vibrations. The dynamics of the contact network is described via a kinetic equation accounting for the dynamics of the contact network. To allow experimental assessment, the kinetic equation is turn into a differential constitutive equation, relating stress to strain, from which rheological properties can be derived. Its integration allows predicting and describing several rheological behaviours, in stationary and non-stationary conditions: elastic linear (Hookean) and nonlinear, viscous linear (Newtonian), viscoelastic linear (Maxwellian) and frictional (Coulombian). In addition, a "time-granular temperature superposition principle", inherent to free volume theories and theoretically predicted by the model, has been experimentally verified, the granular temperature being controlled by the energy of vibration.
A l'aide d'un nouveau prototype de rhéomètre à poudre, couplé à une cellule vibrante capable de générer un mouvement brownien à l'échelle macroscopique au sein des échantillons, nous avons montré que les milieux granulaires denses, sous vibrations, se comportent comme des fluides condensés non-newtoniens viscoélastiques et présentent des analogies très étroites avec les milieux moléculaires au voisinage de leur transition vitreuse. Sur la base de ces résultats, nous avons élaboré un modèle de type "volume libre", fondé sur une approche phénoménologique de type système à deux états, associés au caractère bimodal des chaînes de forces dans les empilements granulaires, la transition entre ces états étant induite par les vibrations et le cisaillement. La dynamique du réseau de contacts est ainsi formalisée par une équation cinétique décrivant les probabilités de transitions entre ces deux états. Afin de confronter la théorie à l’expérience via des tests rhéologiques, une équation constitutive différentielle, reliant la contrainte à la déformation, est déduite de l’équation cinétique. Son intégration permet de décrire et de prédire les comportements rhéologiques observées expérimentalement en régimes stationnaires et transitoires, en présence et en l'absence de vibrations: élastique linéaire (hookéen) et non-linéaire, visqueux linéaire (newtonien), viscoélastique linéaire (maxwellien) et frictionnel (coulombien). De plus, l'existence d'un principe de superposition "temps-température granulaire", inhérent aux théories de volume libre et théoriquement prédit par le modèle, a été confirmé par l'expérience, la température granulaire étant contrôlée par l'énergie de vibration.
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Cite

Philippe Marchal. Viscoélasticité des milieux granulaires denses. Milieux fluides et réactifs. Université de Lorraine (Nancy), 2013. ⟨tel-01540780⟩
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