Cette thèse a pour objet l'étude expérimentale de la morphodynamique des structures sédimentaires dans des conditions d'apport limité en sédiments. Cette étude s'inscrit dans un contexte où il s'agit de prendre en compte la complexité naturelle des rivières à l'échelle d'un dispositif expérimental afin de mieux appréhender les processus d'érosion et de déposition de sédiments mis en jeu à l'échelle d'un tronçon de rivière. Pour cela, nous avons mis au point un chenal expérimental permettant de contrôler le débit de sédiments de façon indépendante du débit d'eau. Nous avons, grâce à ce dispositif, caractérisé la dynamique et la morphologie des dépôts sédimentaires (hauteur, espacement, rapport d'aspect, ...) en fonction du débit de sédiments, du débit d'eau et de la taille du sédiment. Après un régime transitoire, les dépôts finissent par adopter un état d'équilibre dont la morphologie et la taille dépendent crucialement du débit de sédiments, en plus du débit d'eau. Nous avons mis en évidence deux régimes de transport : i) un premier régime contrôlé par l'apport en sédiments où la hauteur des formes d'équilibre varie linéairement avec le débit de sédiments, et ii) un second régime gouverné par l'écoulement où la hauteur des dépôts devient indépendante du débit de sédiments. Par ailleurs, dans le premier régime, nous montrons que la hauteur d'équilibre des dépôts obéit à une loi d'échelle simple faisant intervenir le débit de sédiments, le cube de la vitesse de frottement et la taille des sédiments. Enfin, nous avons abordé le cas d'un apport en sédiments bidisperses qui représente une première étape dans la prise en compte du caractère polydisperse des rivières naturelles. Nous montrons, en autre, que la dynamique des dépôts bidisperses ne peut s'expliquer par une simple superposition des résultats obtenus en monodisperse, indiquant ainsi que les mécanismes de ségrégation jouent un rôle prépondérant.

Une " boue " est constituée de particules submillimétriques immergées dans un fluide. Nous étudions des boues concentrées (ou " pâtes granulaires "), où la concentration en particules est proche du maximum réalisable. Les particules peuvent être plus denses que le fluide, et sédimenter, ou être équilibrées en densité. Ces deux cas sont examinés, à l'aide d'une boue modèle. Nous étudions les écoulements de ces boues dans une cellule de Couette. Les expériences utilisent des méthodes innovantes, permettant de mesurer les vitesses des grains individuellement et collectivement, et les profils de concentration sous cisaillement. Les expériences apportent des informations nouvelles sur les écoulements, comme l'existence de courants de re-circulation. Les résultats sur les vitesses azimutales et concentrations sont en accord avec la théorie de Morris et Boulay d'équilibre des forces normales, pour un rapport convenable des coefficients viscométriques des forces tangentielle et normales.

Cette thèse porte sur la force de résistance au mouvement à faible vitesse d'un objet (sphère, cylindre ou disque) dans un empilement de grains dense et sec. Des expériences ont été menées sur deux dispositifs permettant un mouvement à vitesse contrôlée, en s'intéressant à l'influence des tailles des objets et des grains, des conditions aux limites de l'empilement, de la gravité, et d'une éventuelle vibration de l'empilement. Dans un premier dispositif expérimental permettant un mouvement vertical, nous avons consacré une partie importante de ce travail à l'étude de la forte asymétrie de la force lors de cycles de pénétration/extraction d'un cylindre horizontal et d'une sphère. Pour tenter de comprendre l'origine de cette asymétrie, différentes conditions aux limites ont été considérées : parois rigides ou souples sur les côtés ou au fond de l'empilement, surface libre ou surmontée d'un couvercle plus ou moins chargé en haut de l'empilement. La longueur caractéristique issue du champ de vitesse des grains autour d'un cylindre a été montrée comme la longueur pertinente à considérer pour le confinement latéral, ainsi que pour les déformations de la surface libre telles que la formation d'un cratère consécutif à la pénétration ou d'une bosse lors de l'extraction. Ces déformations peuvent être retrouvées par intégration d'un modèle de champ de vitesse autour de l'objet. La présence d'un couvercle chargé a par ailleurs permis de mettre en évidence une riche et complexe variété de comportements, notamment en extraction où la force ne diminue plus avec la profondeur de l'objet. Dans un second dispositif permettant le mouvement horizontal d'un gros disque intrus à l'intérieur d'une couche de petits disques photoélastiques vibrés ou non, nous avons mesuré la force globale sur l'intrus et visualisé les distributions de contraintes au sein du milieu granulaire. Au-delà des importantes fluctuations spatio-temporelles, des valeurs moyennes de force sur l'intrus et des tenseurs locaux de contraintes et taux de déformations autour de l'intrus ont pu être obtenus, dans la perspective d'établir une loi de comportement locale pour le milieu. La vibration de la couche de grains a été montré pouvoir changer considérablement la dépendance de la force avec la vitesse de l'intrus, avec un effet de fluidification du milieu.

Les études présentées dans ce mémoire portent sur la simulation numérique et l'analyse physique des milieux granulaires immergés dans un fluide. Des développements numériques ont été réalisés pour coupler la méthode Lattice Boltzmann pour la dynamique du fluide avec la méthode Contact Dynamics en 2D et avec la méthode Molecular Dynamics en 3D pour la dynamique des grains. Ces outils numériques ont été utilisés pour étudier l'initiation des avalanches sur un plan incliné en fonction de la compacité initiale et de l'angle d'inclinaison en 3D. Les résultats sont en bon accord quantitatif avec les expériences et ont permis de mettre en évidence la stabilisation de la pente granulaire par une pression négative du fluide interstitielle induite par la dilatance, et l'évolution spatiotemporelle des grandeurs telles que la compacité et la déformation de cisaillement. Ces évolutions dans la phase de fluage qui précède la rupture de pente ont pu être mises à l'échelle par un modèle théorique incorporant la loi de Darcy et l'effet de la dilatance sur l'angle de frottement interne. L'analyse de la texture granulaire a révélé la distortion du réseau des contacts pendant le fluage et la saturation de l'anisotropie comme un critère de rupture. La propagation des avalanches granulaires a été étudiée dans une configuration 2D pour deux géométries différentes : 1) l'effondrement et l'étalement d'une colonne sous son propre poids, 2) l'étalement d'une pente sous l'effet d'une énergie cinétique injectée. Nous avons en particulier montré que la distance et la durée d'étalement obéissent à des lois de puissance en fonction du rapport d'aspect initial ou de l'énergie injectée. Le fluide exerce deux effets contradictoires : réduire les temps de relaxation et lubrifier les contacts. Ces effets ont été analysés dans le régime visqueux en fonction des conditions initiales et la viscosité du fluide.

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

Les particules ultrafines (PUF) sont de nos jours susceptibles de se retrouver massivement dans l’air des lieux de travail et dans l’environnement, notamment de par leur génération non-intentionnelle par certains procédés industriels. Du fait de la toxicité de plus en plus avérée de ces particules, l’air contaminé doit être extrait des lieux de travail et filtré avant d’être rejeté dans l’atmosphère. Les filtres classiquement utilisés sont des filtres à fibres plissés présentant l’inconvénient vis-à-vis des PUF d’être rapidement et irréversiblement colmatés. Afin de trouver une alternative à ces filtres, il a été décidé d’étudier les lits granulaires. Pour ce faire, la cinétique de colmatage des lits granulaires par des PUF a dans un premier temps été étudiée à l’échelle macroscopique et microscopique par suivi des évolutions des performances ainsi qu’en procédant à des observations de structure de dépôt. Evaluer la capacité des lits granulaires à se positionner en tant qu’alternative aux médias fibreux peut nécessiter la connaissance des performances des lits granulaires dans un grand nombre de configurations. Pour s’affranchir des expériences correspondantes, un modèle théorique de prédictions des performances des lits granulaires en cours de colmatage a été développé. Ce modèle a par la suite permis par une optimisation multicritère de trouver la configuration optimale d’un lit granulaire amélioré. Enfin, des essais préliminaires très prometteurs d’une manche granulaire permettant d’augmenter la surface de filtration et l’efficacité de collecte ont posé les bases d’une potentielle utilisation des lits granulaires pour la filtration de PUF dans l’industrie / The air of workplaces and the environment can be contaminated by ultrafine particles (UFP) coming mainly from a non-intentional generation emitted by some industrial processes. The toxicity of these particles being more and more admitted nowadays, the polluted air of the workplaces has to be extracted and filtered in order to protect the workers and the public, respectively. The commonly used filters are pleated fiber filters which are rapidly and sometimes irreversibly clogged by the UFP. In order to find an alternative to these pleated filters, it was decided to study the granular beds. To do so, the clogging kinetic of granular bed by UFP was studied. This was achieved by conducting both macroscopic and microscopic studies of the granular bed clogging consisting in the monitoring of the evolution of the performances and in performing visualizations of UFP deposit structures. Evaluate the ability of granular beds to be an alternative to fiber filters can require the knowledge of the granular bed performances evolution for a large number of configurations. In order to avoid the realization of the corresponding experiments, a theoretical model was developed. Then, this model permitted by a multi-criteria optimization method to find the optimal configuration of an improved granular bed. Finally, some preliminary and very promising tests of a cylindrical granular bed filter permitting to increase the surface filtration and the collection efficiency laid the groundwork of a potential use of granular beds for the industrial UFP filtration

Les bétons auto-plaçants (BAP) sont des bétons spéciaux, très maniables, homogènes et stables qui se mettent en place sous le seul effet de la gravité. Grâce à leurs nombreux avantages, les bétons auto-plaçants (BAP) sont aujourd'hui considérés comme étant l'une des innovations les plus marquantes des deux dernières décennies dans le domaine du béton. Plus de 50 % des produits à démoulage différé sont réalisés en BAP. Parallèlement, les bétons légers sont maintenant intégrés dans le contexte normatif et leur utilisation dans l'industrie est croissante du fait notamment de la nouvelle réglementation thermique pour les bâtiments. Ce contexte ouvre la voie aux bétons auto-plaçants légers (BAPL) dont l'utilisation constitue une solution innovante pour répondre encore mieux, aux problématiques de légèreté, d'efficacité énergétique des bâtiments et de productivité. Cependant, la différence de densité entre les granulats légers et la pâte d'une part et le pouvoir absorbant des granulats légers d'autre part, compliquent davantage la formulation et la production des bétons auto-plaçants légers. De plus, les méthodes existantes qui sont pour la plupart empruntées aux méthodes de formulation de BAP traditionnels restent empiriques.Cette thèse vise donc la mise au point d'une méthode de formulation plus rationnelle pour composer des bétons auto-plaçants légers et durables. Cette approche de formation des BAPL est construite autour d'un ensemble de données cohérent dont l'indice de serrage de l'empilement et sur la quantification expérimentale des phénomènes tels que l'absorption dans la pâte de ciment et la ségrégation. A partir de cette méthode, différentes gammes de BAPL sont proposées pour répondent aux critères du cahier des charges en termes de masse volumique réelle sèche et de résistance à la compression. Sa mise en œuvre a permis de simuler et de réaliser des formules de bétons auto-plaçants légers de sable normal (BAPLSN) de classes d'étalement allant de SF1 à SF3, de classes de masse volumique D1.8 et D2.0 et de classes de résistance allant de LC35/38 à LC50/55. Elle a également permis d'explorer les bétons auto-plaçants légers de sable léger (BAPLSL) qui peuvent constituer une solution innovante pour l'industrie du béton dans le contexte de la nouvelle réglementation thermique pour les bâtiments. / Self compacting concrete (SCC) is generally known as the concrete capable of filling up the given structure only using its self weight without any need for vibration and compaction during pouring process. On the other hand, the structural lightweight concrete (LWC) has emerged due to its lightness and all the advantages related to lower thermal insulating characteristics. The two materials open way to the lightweight self compacting concrete (LWSCC) in order to combine the favorable properties of LWC with those of SCC.However, the difference in density between the lightweight aggregate and cement paste complicate the mix design and production of LWSCC. Furthermore, existing mix design methods which are mostly borrowed from SCC design methods are empirical. Therefore, this thesis aims to develop a rational mix design method for suitable lightweight self-compacting concrete. This approach is built around a set of coherent data whose compaction index of granular skeleton and on the experimental data such as water absorption in the cement paste and segregation. From this method, different ranges of LWSCC are proposed to meet the requirements of the specification in terms of dry density and compressive strength. Its implementation was used to simulate and formulate LWSCC of workability classes from SF1 to SF3, density class from D1.8 to D2.0 and resistance class from LC35/38 to LC50/55. The mix design method also explored the total lightweight self compacting concrete (TLWSCC) that may constitute an innovative solution for the concrete industry in the context of the new thermal regulations for buildings

Ce travail de thèse a pour objectif la reproduction et l'analyse du comportement invariant d'échelle, tel que l'on peut le trouver dans la nature et en particulier au niveau d'une faille tectonique. Pour cela, une expérience reproduisant la structure locale d'une faille par le cisaillement d'un milieu granulaire 2D a été montée et exploitée. L'utilisation de conditions aux limites périodiques dans cette expérience permet l'acquisition d'une statistique très riche, principal défaut des expériences présentes dans la littérature. Le suivi du système est effectué à la fois par des moyens optiques, mécaniques et acoustiques, ces derniers fournissant les informations les plus nombreuses et les plus précises. La dynamique a montré une invariance d'échelle compatible avec les lois statistiques existantes pour les tremblements de terre réels. Les corrélations entre les avalanches et entre les différents moyens de mesure sont analysées. Des expériences complémentaires ont été réalisées pour mieux comprendre les mécanismes à l'œuvre lors du déclenchement d'une avalanche et pendant son déroulement. La principale concerne la propagation d'une onde acoustique au sein d'un milieu granulaire, et a montré qu'une simple mesure de la vitesse de l'onde permet d'obtenir des informations sur la structure interne de l'empilement. L'utilisation d'un matériau photoélastique a permis, suite à une calibration adaptée, de sonder les forces locales au niveau des contacts entre grains et de voir l'évolution des réseaux de force dans le milieu au cours du cisaillement / The aim of this thesis is to reproduce and analyze the scale invariant behavior, as one can find in nature and in particular for a tectonic fault. Thus we set an experiment which reproduces the local structure of a fault thanks to a sheared 2D granular medium. The use of periodic boundaries in the experiment allows us to gain a very rich statistics, which was lacking in previous experiments presented in the literature. The system is monitored by three different methods: optical, mechanical and acoustics, which gives the most numerous and most precise informations. We observed scale invariant dynamics, consistent with statistical laws derived for real earthquakes. We also analyzed the correlations between avalanches and between the three monitoring methods. Additional experiments have been performed to better understand the mecanisms that take place at the triggering and during an avalanche. The main one focuses on sound wave propagation inside a granular pile, and we have shown that a mere velocity measure can give information about the internal structure of the pile. The use of a photoelastic material allows us (with appropriate calibration) to probe local forces at the edges and contacts of the grains and to see the evolution of force chains during the shear

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.

Dans le cadre du projet ASTRID, le procédé de fabrication du combustible nucléaire par métallurgie des poudres, pour les RNR, est revisité dans le but d’être simplifié. En particulier, nous cherchons à supprimer l’étape de granulation mécanique de la poudre qui lui confère un bon comportement à l’écoulement. La problématique, est d’arriver à faire s’écouler spontanément et rapidement une poudre, à travers un orifice par lequel elle ne s’écoule pas naturellement. Par ailleurs, la poudre alterne entre des phases d’écoulement et de non-écoulement.Pour garantir l’écoulement de la poudre à travers le moule de presse, nous appliquons des vibrations horizontales. Les vibrations permettent de faire s’écouler la poudre et d’atteindre le débit requis par les cadences de fabrication. Toutefois, elles ont également le défaut, lors des phases de non-écoulement, de compacter la poudre et de retarder les futurs écoulements. Tout l’art du remplissage des moules de presse assisté par vibrations consiste à maîtriser le caractère ambivalent des vibrations.L’évolution singulière de la compacité des poudres d’actinides, lors de la phase de non écoulement, nous a amené à définir un modèle stochastique unidimensionnel de compaction. La confrontation des résultats de simulation, avec les lois empiriques de compaction, a permis d’identifier le sens physique des paramètres d’ajustement des lois empiriques. Nous avons aussi proposé une nouvelle loi d’évolution de la compacité à deux exponentielles étirées. Cette nouvelle loi rend compte, non seulement de la cinétique de compaction des poudres d’actinides mais également de l’ensemble des résultats que nous avons trouvé dans la littérature. / In the framework of the ASTRID project, the nuclear fuel production process by powder metallurgy, for Fast Neutron Reactors, is revisited in order to be simplified. In particular, we seek to remove the mechanical granulation step of the powder which gives a good flow behavior during the filling of press molds. The aim is to reach a spontaneous and quick powder flow through a hole in which the powder does not flow without external energy. Furthermore, the powder alternates between flow phases during the filling of press molds, and non-flow phases during the compaction and ejection of the pellet.We hence apply horizontal vibrations to ensure the flow of the powder through the press mold. The vibrations help the powder to flow and increase the production rates. However, they have the disadvantage to compact the powder and delay the future flows, during the non-flow phases. The art of filling the press mold assisted by vibrations is to master / control the ambivalent nature of the vibrations.The remarkable packing fraction evolution of actinides powders, during the non-flow phases, allows us to define a simple 1D stochastic model to understand the compaction kinetics. The comparison of the stochastic model with the empirical compaction laws found in the literature helps us to identify the physical meaning of fitting parameters proposed by the empirical models. Furthermore, we have also proposed a new compaction law with two-stretched exponentials. This new law not only reflects the compaction kinetics of actinides powders, but also of all the compaction data we found in the literature.