Un écoulement fluide (air ou liquide) au-dessus d’un matériau granulaire induit, au-delà d’un seuil, un transport de grains qui peut conduire à la formation de dunes. Dans une première partie, nous étudions la morphodynamique des dunes éoliennes. Grâce à une modélisation simplifiée des transports de sédiment, la description de la dynamique d’une dune formée sur un fond plat non-érodable sous un écoulement unidirectionnel peut se réduire à un système d’équations différentielles couplées du premier ordre. Le modèle développé permet d’identifier les mécanismes qui influencent la stabilité linéaire d’une dune transverse rectiligne. Lorsque la diffusion latérale de sédiment sur la face amont est dominante devant celle sur la face aval, notre modèle prédit la stabilité de la dune transverse. Lorsque la dune transverse est instable, elle se fragmente en dunes en forme de croissant, appelées barkhanes. Grâce aux caractéristiques morphologiques des dunes éoliennes issues des données de terrain, les paramètres macroscopiques qui influencent la stabilité sont déterminés. Dans une seconde partie, nous analysons l’influence de la présence de formes sédimentaires aquatiques sur les modes de transport de sédiment (charriage ou suspension). Des expériences en chenal hydraulique permettent de suivre la déstabilisation d’un lit plat de sédiment par un écoulement unidirectionnel. Le suivi de la morphologie du fond ainsi que le piégeage différencié des modes de transport de sédiment permettent de mettre en avant que l’apparition et la croissance de dunes s’accompagnent d’une augmentation du transport de sédiment. / Above a threshold, a flow (of liquid or air) over a granular bed leads to grain transport that can induce dune formation. In the first part of this thesis, we study the morphodynamics of eolian dunes. With a simplified sediment transport model, the description of the dynamics of a dune formed on an non-erodible bed under unidirectional flow is reduced to a system of first order coupled differential equations. With this model, we identify the mechanisms that influence the linear stability of a rectilinear transverse dune. When lateral sediment diffusion on the upwind side of the dune prevails over the downwind side diffusion, our model predicts transverse dune stability. When the transverse dune is unstable, it breaks into crescent-shaped dunes called barchan dunes. With morphological characteristics of aeolian dunes taken from field data, macroscopic parameters influencing the dune stability are calculated. In the second part, we analyze the effect of aquatic bedforms on the mode of sediment transport (bedload or suspension). With flume experiments we follow the destabilization of a flat sediment bed under a unidirectionnal flow. Recorded bed morphology and differentiated trapping of sediment allow us to distinguish between bedload and suspension and to show that the dune formation and growth come along with an increase of sediment transport.

L'écoulement d'un fluide au-dessus d'un lit granulaire peut provoquer son érosion lorsque la contrainte exercée dépasse une valeur seuil. La présence d'un obstacle immergé dans l'écoulement induit une perturbation, entraînant une survitesse locale du fluide et une plus grande contrainte. L'érosion est alors localement renforcée, phénomène également appelé affouillement. Dans ce travail, nous étudions expérimentalement cette situation d'érosion complexe à l'échelle du laboratoire. Nous nous intéressons en particulier à la question du seuil d'affouillement, c'est-à-dire la vitesse d'approche du fluide minimale nécessaire à l'apparition de l'érosion au voisinage de l'obstacle. Ce faisant, nous observons que deux motifs d'érosion différents peuvent se développer au voisinage d'un obstacle : si le classique affouillement en fer à cheval au pied de l’obstacle domine aux vitesses d'écoulement élevées, on observe pour des vitesses plus faibles un nouveau motif en aval, que nous appelons affouillement en oreilles de lapin. Les seuils d'apparition de ces deux motifs d'érosion sont mesurés visuellement pour différents grains et obstacles. En complément de ces observations, nous utilisons une technique de relevé topographique par profilométrie laser. Le suivi temporel de la topographie du lit au cours du processus d'affouillement nous permet de caractériser la morphologie des deux types de motifs, et de comprendre la compétition entre leurs dynamiques d'apparition par la mesure des temps caractéristiques de formation. L'affouillement en oreilles de lapin est dans la plupart des cas perturbé dans son développement par la formation plus rapide de l'affouillement en fer à cheval. L'étude de l'écoulement, s'appuyant notamment sur des mesures de vélocimétrie par image de particules (PIV), nous renseigne sur les contraintes exercées par le fluide sur les grains, avec ou sans obstacle. Nous pouvons ainsi expliquer les valeurs de seuil d'apparition mesurées pour les deux motifs d'affouillement, qui sont associés à différentes structures de l'écoulement. / Erosion occurs when a fluid flowing over a granular bed exerts a large enough shear stress. When the fluid encounters an obstacle, the modification of the flow leads to a local over speed, and thus on an increase of the shear stress in the vicinity of the obstacle. As a result, the erosion is locally enhanced and is called scouring. In this work, we investigate this complicated situation experimentally at the laboratory scale. In particular, we address the question of the scouring threshold, i.e., the minimum critical approach velocity of the fluid leading to erosion in the vicinity of the obstacle. We report the existence of two different scouring patterns: the traditional horseshoe scour at the base of the obstacle, which dominates at large flow velocities, and we also highlight another scouring pattern downstream, which is called rabbit ear scour, at moderate speeds. We determine the onset of both erosion patterns visually using different grains and obstacles. Besides, we measure the bed topography over time using a laser profilometer. By monitoring the bed topography during the scouring process, we characterize the morphology of both scouring patterns and rationalize their competitive dynamics by measuring their formation timescale. In most cases, the rabbit ear scour development is inhibited by the faster horseshoe scour growth. The characterization of the flow using Particles Image Velocimetry (PIV), provides information on the shear stress exerted by the fluid flow on the grains, with and without obstacle. We can thus rationalize the threshold values for both scouring patterns, associated with different flow structures.

Le procédé d'agglomération humide trouve des applications dans des secteurs industriels d'importance (e.g. agroalimentaire, pharmaceutique, génie civil, etc.) et s'appuie encore fortement sur le savoir-faire des opérateurs. Ce travail porte sur l'étude des contributions des apports hydriques et mécaniques à l'agglomération humide d'une poudre réactive (transformation de la semoule de blé en grains de couscous). Une approche découplée des apports d'eau et d'énergie mécanique est proposée. L'apport d'eau est étudié par la modélisation de l'influence des paramètres formulation et procédé de l'atomisation liquide sur la taille des gouttes pulvérisées. Les apports d'énergie mécanique sont étudiés à l'aide d'un équipement modèle de malaxage. La répartition des contraintes verticales dans le milieu granulaire à l'état statique est identifiée via une "cartographie 2D des isocontraintes". Le comportement de la poudre au malaxage est étudié au cours du déplacement de la pale dans le malaxeur modèle, par l'analyse des champs de vitesses des particules (obtenus par vélocimétrie par images de particules), et par la mesure des contraintes verticales au niveau de la pale. Une étude de la sthénique et de la cinématique des écoulements granulaires permet d'identifier des longueurs caractéristiques impliquées dans le comportement du milieu granulaire à l'état statique et sous sollicitation mécanique. L'étude couplée des apports hydriques et mécaniques est réalisée par suivi des dynamiques d'agglomération humide dans un malaxeur à pale. Elles sont décrites par des mesures en continu de la consommation énergétique et des mesures in situ des spectres d'absorption proche infra-rouge. / The wet agglomeration process presents large applications in different industrial fields (e.g. food, pharmaceutics, civil engineering, etc.) and is still mainly based on technical know-how and empiricism of operators. This thesis work investigates the contributions of water and mechanical energy inputs to the wet agglomeration of a reactive powder, in the particular case of the transformation of durum wheat semolina in couscous grains. A uncoupled approach of both water and mechanical energy inputs is carried out. The water addition is studied through a modelisation of the influence of operating and formulation parameters of the liquid atomization process on the droplet size. Mechanical energy inputs are studied using a model experimental mixing equipment. Vertical stress distribution in the granular bed in static conditions is identified thanks to the establishment of a "2D iso-stress cartography". The granular medium behaviour under mechanical solicitation is studied during the blade motion in the model mixing equipment thanks to the analysis of granular flows and velocity fields (obtained by particle image velocimetry) and to vertical stress measurements directly on the blade. A sthenic and kinematic study of granular flows allows to identify characteristic lengths involved in the granular medium behaviour under mechanical solicitation. The coupled study of water and mechanical inputs is conducted by following in-line the wet agglomeration dynamics in a pilot mixing device using energetical consumption measurements as well as in situ acquiring of near infrared absorption spectra.

Au cours de cette thèse nous avons étudié expérimentalement les phases denses de disques polaires vibrés, un bon modèle de liquide actif.L'expérience consiste à mettre en vibration des disques durs designés avec deux pattes avant et arrière différentes. Cela leur confère une polarité et sous l'effet de la vibration les disques avancent avec persistance dans la direction de leur polarité.Il a été montré que ce disque polaire est un bon modèle de particule active. Par ailleurs, il a été observé que ces disques forment un liquide polaire ordonnée pour des fractions surfaciques autour de 0.40.Au cours de cette thèse nous avons travaillé à plus haute densité pour étudier la cristallisation de ce liquide actif. Nous avons observé une dynamique fortement intermittente au cours de laquelle des agrégats denses et ordonnés se forment mais se fragmentent sans cesse. Ce régime perdure jusqu'à la fraction surfacique de 0.83, la plus élevée que nous ayons pu atteindre dans un premier temps.Pour étudier l'existence éventuelle d'une phase cristalline stable, nous avons réalisé des expériences dans une enceinte hexagonale, où il est possible d'imposer des fractions surfaciques de l'ordre de 0.89 proche de celle de l'empilement hexagonal compact. Nous observons un cristal dans le cas où l'enceinte est totalement remplie, en revanche lorsque que l'on retire quelques disques le cristal se met à tourner de manière spectaculaire tout en conservant un ordre positionnel.Enfin, nous avons réalisé des expériences de mesures de pression mécanique. Nous avons observé que la pression mécanique exercée par les disques polaires dépend de la nature des murs de l'enceinte. On conclu que la pression mécanique n'est pas une variable d'état pour ce système. / During this thesis, we studied experimentally the dense phases of vibrated polar disks, a good model of active liquid.The experiment involves vibrating hard discs with two different front and rear legs. This provides them with a polarity such that they perform persistent directed motion when they are shaken vertically.These polar discs has been shown to be a good active particle model. Moreover, it has been observed that these disks form an ordered polar liquid for surface fractions around 0.40.During this thesis we worked at a higher density to study the crystallization of this active liquid. We observed a highly intermittent dynamics during which dense and ordered aggregates form but are constantly fragmented. This regime lasts until the surface fraction of 0.83, the highest that we have been able to reach at first.In order to study the possible existence of a stable crystal phase, we carried out experiments in a hexagonal arena, where it is possible to impose surface fractions of the order of 0.89 close to that of the compact hexagonal packing. We observe a crystal in the case where the arena is completely filled, however when removing a few discs the crystal flows and rotates spectacularly while maintaining a positional order.Finally, we carried out mechanical pressure measurement experiments. We have observed that the mechanical pressure exerted by the polar disks depends on the nature of the walls of the arena. We conclude that mechanical pressure is not a state variable for this system.

Cette thèse a pour objet l'étude expérimentale, théorique et numérique<br />de l'instabilité d'un lit granulaire cisaillé par un écoulement<br />fluide continu.<br />Nous avons caractérisé expérimentalement la longueur d'onde initiale des<br />rides, ainsi que l'évolution de leur amplitude et de leur longueur d'onde<br />moyenne. Par ailleurs, nous nous sommes intéressés à la transition morphologique<br />des rides perpendiculaires à l'écoulement vers des motifs 3D plus complexes.<br />Nous avons également développé une analyse de stabilité linéaire<br />du problème, dans le cas d'un écoulement laminaire, qui permet de prédire<br />correctement la longueur d'onde à l'initiation. D'autre part, une analyse<br />faiblement non-linéaire rend compte de l'apparition de motifs 3D.<br />Enfin, nous avons abordé la dynamique non-linéaire des rides: des<br />simulations numériques en 2D, basées sur l'étude théorique précédente,<br />ont permis de retrouver qualitativement l'évolution aux temps longs observée<br />expérimentalement.

Les méthodes d'acoustique non linéaire ont démontré une forte sensibilité à la présence de défauts de structure dans les matériaux solides et sont utilisées depuis peu pour le contrôle non destructif ou l'évaluation des matériaux endommagés.<br /><br />Dans ce travail de thèse, le fonctionnement de l'antenne paramétrique en émission dans les milieux granulaires non consolidés est étudié. L'antenne paramétrique, utilisée largement en acoustique sous-marine, met en jeu un effet d'acoustique non linéaire qui peut s'interpréter comme un phénomène d'auto-démodulation d'amplitude ou encore comme un phénomène de génération de fréquence différence. Ainsi, à partir de l'émission d'ondes intenses, composées de plusieurs hautes fréquences proches (de l'ordre de 100 kHz), des ondes de plus basses fréquences (1-10 kHz) sont générées par effet non linéaire dans le milieu de propagation. Les principaux intérêts de cette méthode sont i) la possible haute directivité du rayonnement de basse fréquence, utile pour sonder sélectivement les matériaux à tester, ii) la conversion de l'énergie émise vers des ondes de basses fréquences qui se propagent plus facilement dans les milieux fortement absorbants et / ou diffusants.<br /><br /><br />En premier lieu, plusieurs modèles d'antenne paramétrique sont développés afin de prendre en compte les phénomènes d'absorption, de diffusion, de dispersion de vitesse, ou encore le caractère évanescent des modes de propagation acoustique. Des expériences de propagation solidienne dans des assemblages désordonnés de billes de verre sont réalisées et interprétées. Ces expériences sont en accord qualitatif avec les prédictions théoriques.<br /><br />En second lieu, des ondes de cisaillement sont utilisées en émission pour l'antenne paramétrique, et permettent de générer, par auto-démodulation, des ondes longitudinales de basses fréquences. Ce phénomène de dilatance non linéaire est mis en évidence dans plusieurs configurations expérimentales. L'amplitude du signal démodulé en fonction de l'amplitude des ondes de cisaillement initialement émises est tout d'abord quadratique puis exhibe une transition vers une dépendance en puissance 3/2. Il est démontré que le phénomène de clappement, ouverture puis fermeture des contacts inter-billes sous l'action de l'onde acoustique, est responsable de cette transition. La localisation de cette transition permet de caractériser qualitativement la distribution des déformations statiques des contacts dans le milieu, notamment dans la région des contacts faibles.<br /><br />Enfin, le changement de la direction de polarisation des ondes de cisaillement permet de mettre en évidence une anisotropie du paramètre de non-linéarité quadratique du milieu, conséquence d'une anisotropie des chaînes de force, créées lorsqu'une contrainte statique uni-axiale est appliquée sur le milieu granulaire.

Notre travail s'inscrit dans le cadre de l'étude du comportement<br />des milieux granulaires. Dans un premier temps, nous présentons<br />une méthode numérique par Eléments Discrets de type Dynamique des<br />Contacts, qui modélise en 2D le mouvement d'un ensemble de corps<br />rigides, entrant en collision entre eux et avec des parois, et<br />sujets à des forces de frottement lors de ces chocs. L'utilisation<br />du bipotentiel de contact conduit à un algorithme local basé sur<br />un schéma prédicteur-correcteur par projection sur le cône de<br />frottement et à un critère de convergence fondé sur un indicateur<br />d'erreur relative en loi de comportement. La prise en compte<br />exacte des conditions de Signorini et de Coulomb nous oblige à<br />considérer les phénomènes de chocs multiples. Dans ce cadre, nous<br />utilisons le formalisme de la mécanique non-régulière. Nous<br />aboutissons à un algorithme comportant, à chaque itération, une<br />phase de résolution de l'équation de la dynamique, fournissant une<br />nouvelle approximation de la vitesse, et une phase d'utilisation<br />de l'algorithme local, fournissant une nouvelle valeur de<br />l'impulsion. Les simulations numériques tant quasi-statiques que<br />dynamiques mettent en évidence la convergence et la robustesse de<br />l'algorithme. <br />Dans un second temps, pour permettre le passage de l'échelle<br />microscopique à l'échelle macroscopique, nous établissons une<br />expression du tenseur des contraintes moyen, qui prend en compte<br />les efforts volumiques. Nous montrons sur un exemple analytique<br />simple d'un grain rigide cylindrique roulant sur un plan incliné,<br />que les effets dynamiques sont essentiels pour symétriser le<br />tenseur des contraintes moyen.

Cet exposé présente des résultats expérimentaux et numériques sur les écoulements denses de matériaux granulaires secs dans un canal. Nous détaillons la méthode de dynamique moléculaire de sphère molles et les techniques expérimentales de suivi des particules et de densimétrie-gamma. Les résultats expérimentaux issus d'un système bidimensionnel sont ensuite présentés. Nous étudions en particulier la cristallisation d'une assemblée monodisperse au sein de l'écoulement, les profils de vitesse et compacité ainsi que la structure du front d'avalanche. Les empilements à stabilité dynamique (ou Super Stable Heaps) sont ensuite étudiés aussi bien expérimentalement que numériquement. Le rôle prépondérant du frottement aux parois latérales est mis en évidence. Nous nous intéressons également à la croissance d'un tel empilement, c'est-à-dire aux problématiques d'érosion et d'accrétion. Les profils de vitesse, compacité, vitesse de rotation etc sont étudiés par simulations numériques. Les simulations confirment également l'influence majeure du frottement aux parois latérales sur les propriétés de l'écoulement. Enfin nous étudions un régime d'écoulement rapide dans lequel une zone dense s'écoule en bloc sur une couche basale cisaillée, diluée et agitée. Nous montrons que ce régime d'écoulement ne semble pas expliquer les avalanches dites "à longue portée". De plus, nos simulation reproduisent l'apparente lubrification des écoulements géophysiques très volumineux pour des écoulements granulaires secs et partout denses.

Les matériaux vitreux sont caractérisés par l'existence d'un grand nombre d'états métastables. Parmi ceux-ci, les verres de spins sont les systèmes les plus étudiés et les mieux connus. À l'opposé, l'appartenance des empilements granulaires à la classe des systèmes vitreux est récente, et le rôle des états métastables n'y est pas encore bien compris. Dans cette thèse, les connaissances acquises sur les verres de spins sont mises à profit pour étudier la dynamique stationnaire des milieux granulaires vibrés. <br> Dans une première partie, les propriétés dynamiques essentielles des modèles de verres de spins en champ-moyen sont passées en revues. La notion d'état métastable est ensuite discutée, ainsi que le lien avec la perte d'ergodicité dans la phase vitreuse. Enfin, plusieurs méthodes numériques et analytiques permettant de calculer l'entropie configurationnelle sont exposées en détail. <br> La seconde partie traite des états métastables dans les milieux granulaires. Un algorithme de "tapping" y est introduit, permettant d'obtenir un modèle paradigmatique pour l'étude des systèmes granulaires vibrés, partiellement accessible analytiquement. Le scénario proposé par Edwards selon lequel dans l'état stationnaire tous les états métastables sont visités avec la même probabilité est testée sur plusieurs modèles. L'étude de modèles unidimensionnels permet de comprendre la validité de cette approche aux grandes densités, alors que l'étude de modèles sur des graphes aléatoires montre que la mesure d'Edwards permet de décrire de façon précise des phénomènes non triviaux comme des transitions de phase. Enfin, des tests permettant de vérifier expérimentalement cette approche sont proposés.

Cet exposé aborde le problème de la compaction granulaire par différentes approches complémentaires. Cette densification lente d'un empilement de grains sous sollicitations répétées s'inscrit dans le cadre d'une analogie conceptuelle avec les systèmes vitreux. Nous développons tout d'abord une modélisation numérique capable de simuler cette relaxation lente et de retrouver toute la phénoménologie expérimentale. Cet outil offre en particulier la possibilité d'une analyse statistique de l'espace des pores et de son évolution. Grâce à des dispositifs expérimentaux variés, nous avons mené une étude détaillée de l'effet de secousses verticales sur un empilement de billes. L'effet à court terme est observé à travers la réponse dynamique à une seule secousse. A l'échelle de l'empilement, la dissipation se révèle quasiment instantanée tandis qu'au niveau plus local, de petits événements sont observés sur des temps beaucoup plus longs. Pour des séquences de secousses sur le long terme, les empilements statiques étudiés relaxent lentement vers un état stationnaire final. Cette densification est très bien approchée par une loi fréquemment utilisée pour décrire la relaxation des systèmes vitreux. Une relation de type Arrhenius relie le temps caractéristique de compaction et l'accélération des secousses qui joue ici un rôle équivalent à une température. Parallèlement à la compaction, une convection d'ensemble est observée et, bien que très limitée, elle peut avoir des conséquences notables aux temps longs. De façon générale, une augmentation du frottement aux parois ou une diminution de l'écartement latéral ralentissent la dynamique de la compaction comme de la convection. Par ailleurs, les deux phénomènes continuent de se manifester au-dessous du seuil de décollage de l'empilement. De petits événements localisés peuvent donc, à terme, amener à une restructuration globale très nette.