Ecoulement granulaire à haute vitesse sous l'action de la force centrifuge : application en environnement à la problématique de l'épandage granulaire - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2009

High velocity granular flow under the centrifugal force: application in environment to the problem of granular spreading

Ecoulement granulaire à haute vitesse sous l'action de la force centrifuge : application en environnement à la problématique de l'épandage granulaire

Résumé

This PhD Thesis focuses on the physical mechanisms in play during the interaction of a granular material with a rotating boundary. This configuration is inspired by the process of centrifugal spreading of fertilizer particles in agro-engineering. In the first part of this thesis, a dilute flow of particles has been considered. We study experimentally and theoretically the features of the trajectories involving friction, rolling and collisions for three kinds of particles of well characterized shape and a modelling of these trajectories is proposed by introducing a rolling friction coefficient calibrated by experiments. We show the difficulty of defining a single friction coefficient according to the dynamics of the particle along the boundary (impact or friction at contact). In the second part of this PHD thesis, we study using the discrete element method, the case of a dense granular flow of particles along a rotating boundary. The flow consists firstly of an impact followed by an elongation under the added action of the inertial forces (Centrifugal, Coriolis) and at last an independant motion of the particles. We characterize quantitatively by discrete element modelling the structure of this flow. We show that the flow of particles is subjected to a complex strain rate involving traction, compression and to a less extent shear. We consider also the influence of the rotation freedom degrees of the particles in the flow and we show the existence of a critical friction coefficient particle/boundary which controls the apparition of rolling without sliding for the particles in the flow. Finally, we show that we can define at the continuum scale an effective friction coefficient of the granular flow along the boundary as a function of the degrees of freedom of the particles in the flow as well as their mechanical properties. We finish by adressing some open questions on tribology and contact mechanics in order to achieve a quantitative characterization of these flows for the different kinds of granules.
Cette thèse porte sur l'étude des mécanismes physiques mis en jeu lors de l'interaction d'un matériau granulaire avec une paroi en rotation. Cette situation s'inspire du procédé d'épandage centrifuge des particules d'engrais en agro-environnement dont la maîtrise est encore mal assurée dans la pratique. Dans la première partie de cette thèse, un flux dilué de particules a été considéré. On étudie expérimentalement et théoriquement la nature des trajectoires impliquant frottement, roulement, choc, pour trois types de particules de formes bien caractérisées et une modélisation de ces trajectoires est proposée en introduisant un frottement de roulement phénoménologique à partir des expériences. On montre la difficulté de définir un coefficient de frottement unique selon la dynamique de la particule le long de la paroi (choc ou frottement au contact). Dans la seconde partie de cette thèse, on étudie par la méthode des éléments discrets, le cas d'un écoulement dense le long d'une paroi en rotation. L'écoulement consiste en une première phase de choc suivie d'une élongation sous l'action combinée des forces d'inertie (Centrifuge, Coriolis) et enfin d'un mouvement de particules indépendantes. On caractérise la structure de cet écoulement. On montre que le flux de particules est soumis à une sollicitation complexe qui associe des taux de déformation essentiellement de type traction, compression et dans une moindre mesure, de cisaillement. On étudie également le rôle des degrés de liberté de rotation des particules dans l'écoulement et on met en évidence l'existence d'un coefficient de frottement critique particule/paroi qui contrôle l'apparition du roulement sans glissement pour les particules de l'écoulement. On détermine enfin, par la modélisation, un coefficient de frottement effectif de l'´ecoulement granulaire (vu comme un continuum) le long de la paroi en fonction du degré de liberté de rotation des particules dans l'´ecoulement ainsi que de leurs propriétés mécaniques. On termine en précisant les questions qui restent en suspens relatives à la tribologie de contact entre particules en vue d'une caractérisation quantitative de ces écoulements pour les différents types de granulés.
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tel-02592385 , version 1 (15-05-2020)

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Citer

A. Le Quiniou. Ecoulement granulaire à haute vitesse sous l'action de la force centrifuge : application en environnement à la problématique de l'épandage granulaire. Sciences de l'environnement. Doctorat d'université spécialité génie mécanique, Université Blaise Pascal Clermont II, 2009. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02592385⟩
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