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Cette étude de la compaction d’un empilement granulaire par vibrations horizontales a été réalisée dans le cadre d’un partenariat avec le groupe MERSEN pour une application au sable contenu dans ses fusibles. L’objectif scientifique est de développer la compréhension des mécanismes mis en jeu dans un milieu granulaire vibré horizontalement. Deux approches ont été utilisées en parallèle, l’une expérimentale, l’autre par simulation numérique. L’approche expérimentale a été réalisée sur des grains de silice de diamètre moyen 500 m. Un récipient de quelques centimètres est soumis à un mouvement sinusoïdal de fréquence comprise entre 20 et 200 Hz avec des accélérations allant jusqu’à 10 g. Le dispositif instrumenté permet la mesure instantanée de la force et de l’accélération, la vitesse des grains aux parois (PIV) ainsi que la densité globale du milieu. L’approche numérique est basée sur la méthode des éléments discrets (DEM). Des méthodes spécifiques d’analyse des résultats ont été développées pour assurer la comparaison avec l’expérience. Elles permettent d’obtenir des informations qui ne sont pas accessibles expérimentalement comme les densités, vitesses et contraintes locales dans l’ensemble de l’empilement. Dans le cas d’un récipient ouvert, la simulation permet de retrouver les résultats expérimentaux : rouleaux de convections, seuils de comportement, influence de l’accélération… Des résultats originaux ont été établis dans les expériences et les simulations comme une croissance de la vitesse des grains avec la longueur du récipient. La simulation a aussi permis d’obtenir des résultats spécifiques comme l’influence du coefficient de friction sur le sens des rouleaux et la caractérisation des contraintes au sein de l’empilement. L’écoulement des grains à travers des orifices circulaires de différentes dimensions a été également étudié. Le comportement du sable dans un récipient fermé (milieu confiné) a été étudié au cours d’un remplissage progressif. Des différences significatives ont été constatées lorsque le taux de remplissage devient élevé. Des mesures d’accélération et de force sur l’ensemble du dispositif ont permis de définir et de mesurer une masse apparente et l’énergie dissipée par le dispositif. Des modèles descriptifs ont permis de comprendre les comportements observés. Ces résultats sont à l’origine d’un brevet déposé par le groupe MERSEN sur le contrôle du remplissage. / This work on the densification of a granular medium under horizontal vibrations was realised in the context of an industrial study on sand in fuses, undertaken by the firm MERSEN. The scientific purpose is the understanding of the mechanisms involved in horizontally vibrated granular media. Both experiments and computer simulations were used. Experiments were conducted with 500 µm silica grains. Sinusoidal accelerations up to 10 g were applied to a container of a few centimetres using frequencies between 20 and 200 Hz. The experimental device enables instantaneous force, acceleration, grain velocity on the walls (PIV) and mean bulk density to be measured. Discrete element method (DEM) was used for the computer simulations. Specific techniques were developed to analyse the results and compare them with experiments. Computer simulations provided data which are not experimentally available such as local values of density, velocities and stress inside the particle packing. In the case of an open container, simulation results are in good agreement with experimental ones (convection rolls, thresholds, effect of acceleration...). Original results are obtained in both experiments and simulations, such as a grain velocity increase with the container length. Simulation provided specific results such as the effect of friction coefficients on the direction of rotation of convection rolls and the characterization of stress inside the particle packing. The flowability of grains across circular holes of various sizes was also studied. The behaviour of sand in a closed container (confined medium) was studied during a progressive filling. Significant differences were observed when the filling rate becomes high. The dissipated energy and the apparent mass of the vibrated device were defined and measured using acceleration and force measurements. Specific models were built to analyse and understand the observed behaviour. Some results on the filling control were patented by MERSEN.

Ce travail porte sur la caractérisation, par une méthode acoustique, du comportement mécanique d’un milieu granulaire sous chargement cyclique. La propagation d’ondes ultrasonores, à travers le réseau des contacts supportant les efforts dans l’échantillon, permet de sonder les propriétés viscoélastiques de ces milieux hétérogènes. Dans une première partie, nous étudions le comportement visco-élasto-plastique d’un empilement de billes de verre lors d’un essai oedométrique. Nous examinons en particulier le tassement, ou la déformation résiduelle, et la dissipation hystérétique, en fonction du nombre de cycles, du taux de déformation et de l’état de surface des billes. Nous montrons que les modules déduits des donnés mécaniques (déformation e ~ 10?4-10?³) sont dix fois plus petits que ceux obtenus par les mesures acoustiques (e ~ 10?7) à cause de la réponse non linéaire du milieu. Dans une seconde partie, nous nous intéressons au fluage et à la relaxation de contrainte du milieu. L’originalité de cette étude est le suivi par la mesure de la vitesse du son, qui présente une augmentation de type logarithmique dans les deux types d’essais. Le modèle basé sur la mécanique des microcontacts entre grains rugueux décrit bien nos résultats expérimentaux / This work deals with the characterization, by an acoustical method, of the mechanical behaviour of a dry dense granular medium under cyclic loading using an acoustic technique. The sound propagation through the contact-force network supporting the external load offers a non-invasive probe of the viscoelastic properties of such heterogeneous media. First, we study the visco-elasto-plastic response of the glass bead packing during an oedometric test and investigate the settlement or residual deformation and the hysteretic dissipation as function of loading cycles, strain rate and the surface state of the grains. We show that the modulus deduced from mechanical results (strain e ~ 10?4-10?³)) are about tens time smaller than those from acoustic measurements (e ~ 10?7) due to the nonlinear response of the material. Next, we examine creep and relaxation phenomena of the granular medium. The novelty of our study lies in the simultaneous monitoring of the sample using acoustic measurements. We find quasi-logarithmic increase of sound velocities in both mechanical tests. The model based on the mechanics of micro-contact between rough grains describes fairly well our experimental results

Snakes are one of the world’s most versatile organisms, at ease slithering through rubble or climbing vertical tree trunks. Their adaptations for conquering complex terrain thus serve naturally as inspirations for search and rescue robotics. In a combined experimental and theoretical investigation, we elucidate the propulsion mechanisms of snakes on both hard and granular substrates. The focus of this study is on physics of snake interactions with its environment. Snakes use one of several modes of locomotion, such as slithering on flat surfaces, sidewinding on sand, or accordion-like concertina and worm-like rectilinear motion to traverse crevices. We present a series of experiments and supporting mathematical models demonstrating how snakes optimize their speed and efficiency by adjusting their frictional properties as a function of position and time. Particular attention is paid to a novel paradigm in locomotion, a snake’s active control of its scales, which enables it to modify its frictional interactions with the ground. We use this discovery to build bio-inspired limbless robots that have improved sensitivity to the current state of the art: Scalybot has individually controlled sets of belly scales enabling it to climb slopes of 55 degrees. These findings will result in developing new functional materials and control algorithms that will guide roboticists as they endeavor towards building more effective all-terrain search and rescue robots.

En condition accidentelle,le combustible nucléaire d’un réacteur peut entrer en contact avec le fluide caloporteur.Les conséquences de l’interaction qui en résulte sont étudiées par l’IRSN. La violence de l’interaction dépend notamment fortement de la cinétique de cette mise en contact. L’observation expérimentale directe du phénomène étant inenvisageable. Ce travail de thèse a consisté en l’étude de cette dynamique. Nous avons étudié le débit de vidange d’un milieu granulaire monodisperse en fonction de plusieurs paramètres prépondérants (géométrie du réservoir,taille,forme et position de l’orifice,débit gazeux,taille des grains). Ces études ont été réalisées sur un banc expérimental dédié et ont mis en évidence plusieurs lois d’échelle pour le régime stationnaire. En support à l’interprétation de ces expériences, différentes hypothèses de modélisation de l’écoulement (population discrète de particules, rhéologie d’un milieu continu) ont été confrontées aux résultats expérimentaux à l’aide de simulations numériques. Ainsi la loi de dépendance classique du débit de vidange d’un silo avec un orifice en bas a été étendue aux silos avec un orifice latéral notamment en clarifiant les contributions relatives aux dimensions verticale et horizontale. Par ailleurs, il a été établi qu’un écoulement de gaz augmente significativement le débit de vidange du granulaire. Ceci peut être modélisé en prenant en compte le gradient de pression imposé par le gaz sur les grains dans la zone de l’orifice en plus de la gravité. Les éléments fondateurs de la modélisation d’une vidange de grains et de gaz au sein d’un réservoir avec un orifice latéral ont pu ainsi être mis en place. / In the hypothetical conditions of a reactivity initiated accident in a nuclear power plant, some of the cylindrical rods, that contain the fuel, could break. If fuel fragmentation occurs, hot fuel particles and pressurized gas could be ejected out of the rod and then interact with the surrounding fluid. The consequences of this interaction are studied by IRSN . The violence of this interaction depends particularly on the discharge rate of the fuel particles. The aim of this thesis, was to study this dynamics. We simulated the fuel particles and gas ejection dynamics by the flow of a dense granular material and a gas from a confined space toward an open space. We focused on the experimental study of the stationary discharge of a silo composed of monodisperse spherical glass beads, with an orifice either lateral or at the bottom of the silo, with or without air flow. The measured parameters were the mass flow rate and the pressure along the silo, whereas the controlled parameters were the size of particles, the size of orifices, and the flow rate of air. To understand the underlying physical mechanism, discrete and continuous numerical simulations were also performed and compared to the experimental results. For the case of a lateral orifice, when the form of the orifice is rectangular, we identified two regimes that depend on the ratio of width to height. For the case with air flow, we found that the flow rate increases significantly with the air flow. We used a simple physical model to describe the grains and gas ejection taking into account the pressure gradient imposed by the fluid on the particles around the orifice.

Les transformations physiques et chimiques qui apparaissent au sein de milieux granulaires réactifs induisent des réorganisations dynamiques et structurelles importantes. Largement utilisés pour des applications industrielles, le comportement de ces matériaux en évolution doit être compris. Dans ce travail, nous étudions expérimentalement les réarrangements d'un empilement granulaire modèle soumis à des transformations localisées d'un ou plusieurs grains. Les dispositifs expérimentaux mis au point permettent un suivi bidimensionnel de la structure environnante alors qu'un ou plusieurs grains réduisent de tailles et/ou sont tirés hors de l'empilement. La réponse moyenne du matériau aux temps longs s'apparentent aux écoulements quasi-statiques couramment observés dans les silos. Le comportement instantané de l'empilement est quant à lui très hétérogène dans l'espace et dans le temps. Il présente une dynamique intermittente avec des évènements décorrélés en temps et des ampleurs distribuées en loi de puissance. Les tailles des grains en évolution jouent un rôle important sur la réponse dynamique de l'empilement granulaire notamment en lien avec l'apparition de phénomènes de structuration pour les plus petits intrus. Par ailleurs, la présence d'un second grain en évolution à proximité d'un premier génère des effets coopératifs. Une distance caractéristique de séparation pour l'émergence de ces phénomènes est mise en évidence, elle ne dépend que de l'empilement et non de la taille des grains en évolution. Enfin, les évolutions instantanées des fractions volumiques locales montrent des distributions similaires suggérant un unique mécanisme de réarrangements structuraux. / Physical and chemical transformations appearing in reactive granular media yield strong dynamical and structural reorganizations. Widely used for industrial applications, the behavior of these evolving materials needs to be understood. In this work, we experimentally study the rearrangements of a model granular packing undergoing localized transformations of one or several grains. The experimental setups allow a two-dimensional tracking of the surrounding structure while one or several grains are either reducing in size or being pulled out of the packing. The average long-term response of the material is similar to quasi-static flows commonly observed in silos. The instantaneous behavior of the packing is heterogeneous in space and time. It shows an intermittent dynamic with events decorrelated in time whose amplitudes are power-law distributed. The sizes of the evolving grains play an important role on the dynamical response of the granular packing by the appearance of arches for the smallest intruders. Moreover, the presence of a second evolving grain generates cooperative effects. A characteristic distance between the two intruders is found, it does depend on the packing properties and not on the size of the evolving grains. Finally, instantaneous evolutions of local densities show similar distributions suggesting a unique mechanism in terms of structural reorganizations.

Ce travail de recherche est une contribution à l'étude de la propagation d'ondes élastiques dans les milieux granulaires. L'objectif principal est d'analyser deux aspects particuliers qui influencent la propagation, d'une part le degré de liberté en rotation des grains et d'autre part les non-linéarités de contact. Dans le cadre de ce travail, des structures granulaires périodiques et unidimensionnelles sont étudiées.L'apport principal de ce travail est la mise en évidence expérimentale et la modélisation d'ondes de rotation pures dans une chaîne granulaire composée de billes magnétiques. Le point de départ de la modélisation est la description du contact en torsion entre deux sphères jusqu'au premier ordre de non-linéarité. Pour un moment de torsion oscillant, il est montré un comportement de type purement hystérétique quadratique. Généralement, cette non-linéarité coexiste avec d'autres types de non-linéarités (quadratique, clappement, ...) et certains de ses effets n'ont jamais été observés. Pour la première fois, la distorsion d'ondes impulsionnelles par une non-linéarité hystérétique est mise en évidence et modélisée.D'autres effets liés à la dispersion et aux non-linéarités de contact dans une chaîne diatomique sont étudiés théoriquement et expérimentalement. En particulier, la génération de l'harmonique 2 des ondes de compression présente une richesse intéressante selon leur caractère propagatif, fortement dispersif ou évanescent.Outre les apports fondamentaux, les résultats obtenus peuvent trouver des applications dans le domaine du contrôle des ondes : filtres acoustiques dépendant de l'amplitude, convertisseurs de fréquences, rectificateurs et diodes acoustiques, ... . / This research is a contribution to the study of the propagation of elastic waves in granular media. The main purpose is to analyze two particular aspects that influence the propagation, first the rotation motion of grain and other nonlinearities of contact. As part of this work, the periodic one-dimensional granular structure is studied. The main contribution of this work is the experimental demonstration and modeling purely rotational wave in a granular chain composed of magnetic beads. The starting point of modeling is the description of the pure shear coupling at the contact between two spheres excited in torsion up to the first order of nonlinearity. For a oscillating torque, pure nonlinear quadratic hysteretic behaviour is shown. Generally, this nonlinearity coexists with other types of nonlinearities (quadratic, clapping, ...) and some of its effects have not been observed. For the first time, the transformation of pulse profile in a medium with pure hysteretic quadratic nonlinearity, essentially different from the distortion by classical nonlinearities, is reported.Other effects related to the dispersion and nonlinearity of contact in a diatomic chain are studied theoretically and experimentally. In particular, the generation of the 2nd harmonic wave compression presents an interesting behaviour according to their propagating nature, highly dispersive or evanescent. Apart from the fundamental interests, the results may find applications in the field of wave control: amplitude dependent filtering devices, rectifiers, actuating devices, acoustic diodes, ... .

Ce travail de thèse est l'étude expérimentale de la propagation des ondes acoustiques dans un milieu granulaire sec et confiné. Ces ondes permettent de sonder de manière non invasive les propriétés viscoélastiques et la structure hétérogène du milieu, mais peuvent aussi être utilisées comme perturbation contrôlée pour étudier le réarrangement des réseaux des forces. Dans une première partie, nous nous intéressons à la propagation des ondes cohérentes dans les empilements des billes de verre et aussi dans ceux des grains irréguliers (sable). En régime linéaire, un très bon accord est retrouvé entre les vitesses d'onde de compression mesurées et celles prédites par la théorie des milieux effectifs, ce qui permet d'accéder au nombre de coordinance Z. En régime non linéaire, nous observons à la fois un softening et un hardening de la vitesse d'onde de compression à cause du changement de Z induit pat la forte vibration. La deuxième partie étudie la propagation des ondes multiplement diffusées. Nous montrons que le transport de ces ondes dans un milieu granulaire peut être décrit par le modèle de diffusion. Le coefficient de diffusion et l'absorption inélastique sont déterminés en fonction de la contrainte de confinement et de la fréquence d'onde incidente. Le libre parcours moyen versus la longueur d'onde relèvent deux régimes distincts du transport des ondes diffusées à basse et à haute fréquence. De plus, une décroissance non exponentielle est observée sur le profile d'intensité des ondes diffusées à temps long lorsque la fréquence de l'onde incidente devient importante. Une étude paramétrique basée sur la renormalisation du coefficient de diffusion est effectuée pour comprendre l'origine de ce transport diffusif anomal. Enfin, nous développons un dispositif (MRT) pour effectuer l'opération du retournement temporel dans un milieu granulaire. En régime linéaire, la recompression temporelle et la refocalisation spatiale sont vérifiées. Cependant, en régime non linéaire, nous observons que le processus du retournement temporel est brisé par l'interaction irréversible onde-matière, dû au changement ou réarrangement des réseaux des forces / This experimental work describes sound propagation in dry granular media. These sound waves provide a non invasive method to probe the viscoelastic properties and the heterogeneous structure of the materials. They may also be served as controlled perturbation to study the nonlinear response due to the rearrangements of the contact force networks. In the first part, we investigate the coherent wave propagation both in the packings of glass beads and those of irregular grains such as sands. In the linear regime, measured compressional wave velocities are in good agreement with the effective medium theory, giving access to the coordination umber Z. In the nonlinear regime, we observe both softening and hardening of the sound velocity, likely stemming from the change in Z caused by the strong vibration. In the second part, we study the multiple scattering of short-wavelength elastic waves in granular media. It is shown that the wave transport can be well described by the approximation of diffusion. We determine the diffusion constant and the inelastic absorption time as a function of the confining pressure and the frequency of the incident wave. The plot of the mean transport free path versus the wavelength shows two distinct regimes of transport in low- and high-frequency. Moreover, we find time-resolved intensity profile of multiply scattered waves exhibit a non exponential decay in long time, thus deviated from the classic diffusive transport. A parametric study using the renormalized diffusion constant is performed in order to understand the underlying physics of such anomaly wave transport. Finally, we perform a first experimental study of the time-reversal of ultrasound in glass bead packings. In the linear regime, we obtain by time-reversal processes both a temporal recompression and a spatial refocusing at the source transducer of an ultrasonic pulse transmitting through the disordered force networks. However, in the nonlinear regime, we observe a breakdown of the time-reversal of ultrasound due to the structural change of the materials, i.e. sound-induced rearrangement of the force networks

On s'intéresse à la modélisation des matériaux granulaires composés d'agrégats non-convexes et cohésifs en vue d'application à la rhéologie des poudres d'UO2. L'influence du degré de non-convexité des particules est analysé en termes de grandeurs macroscopiques (frottement interne et cohésion de Coulomb) et de paramètres micro-mécaniques tels que l'anisotropie de la texture et la transmission des efforts. Il apparaît en particulier que la compacité évolue d'une manière complexe avec la non-convexité et que la résistance au cisaillement augmente mais sature sous l'effet d'imbrication entre agrégats. Des modèles simples sont introduits pour décrire ces comportements en termes de paramètres micro-mécaniques. De même, des études systématiques par cisaillement, compaction uniaxiale et compression simple montrent que la cohésion interne augmente avec la non-convexité mais est fortement contrôlée par les conditions aux limites et l'apparition de bandes de cisaillement ou de concentrations de contraintes. / We model in this work granular materials composed of nonconvex and cohesive aggregates, in view of application to the rheology of UO2 powders. The effect of nonconvexity is analyzed in terms of bulk quantities (Coulomb internal friction and cohesion) and micro-mechanical parameters such as texture anisotropy and force transmission. In particular, we find that the packing fraction evolves in a complex manner with the shape nonconvexity and the shear strength increases but saturates due to interlocking between the aggregates. We introduce simple models to describe these features in terms of micro-mechanical parameters. Furthermore, a systematic investigation of shearing, uniaxial compaction and simple compression of cohesive packings show that bulk cohesion increases with non-convexity but is strongly influenced by the boundary conditions and shear bands or stress concentration.

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