Extension of DEM to saturated materials for the study of dense suspensions
Extension de la DEM aux granulaires immergés pour l'étude des suspensions denses
Résumé
A numerical model is used to simulate rheometer experiments at constant normal stress on dense suspensions of spheres. The complete model includes sphere-sphere contacts using a soft contact approach, short range hydrodynamic interactions defined by frame-invariant expressions of forces and torques in the lubrication approximation, and drag forces resulting from the poromechanical coupling computed with the DEM-PFV technique. Series of simulations in which some of the coupling terms are neglected, are also performed to evaluate the impact of some approximations which are classical inthe literature. It is found that the shear component of short range interactions plays a significant role in the magnitude of the bulk stress and it has a critical effect on the evolution of solid fraction. The effect of the poromechanical coupling is visible in the transient regime. The bulk shear stress is decomposed into contact stress and hydrodynamic stress terms whose dependency on the dimensionless shear rate Iv are examined. Both contributions are increasing functions of Iv. Statistics of microstructural variables are computed and highlight a complex interplay between contacts and hydrodynamic interactions. Finally, the dependance of the behavior of submarine avalanches function of the fluid viscosity η and of the angle θ of the material relative to the horizontal is studied. Results are in a good agreement with the phenomenological laws found experimentally
Le modèle numérique DEM-PFV incluant la lubrification est utilisé pour simuler des expériences de rhéométrie à contrainte normale imposée sur des suspensions denses de particules sphériques. Le modèle décrit des contacts solides particule-particule par un modèle élastique plastique, des interactions hydrodynamiques à courte portée définies par des forces et des couples de lubrification, et des forces de pression résultant du couplage poromécanique calculées avec le modèle DEM-PFV. Une extension du modèle aux conditions aux limites périodiques est proposée afin d'étudier des milieux infinis. Des séries de simulations du cisaillement à contrainte verticale imposée sont réalisées afin d'évaluer le comportement global de la suspension. Les résultats numériques sont comparés aux lois phénoménologiques μ(Iv ) et φ(Iv ) décritespar les expériences de Boyer et al [BP11]. La contribution à la contrainte totale des différents efforts appliqués sur les particules est examinée en fonction du nombre visqueux Iv. La composante tangentielle de la force de lubrification joue un rôle important dans la contrainte totale et la fraction solide. L'effet du couplage poromécanique est visible dans le régime transitoire. La contrainte de cisaillement totale est décomposée en contraintes de contacts et contraintes hydrodynamiques dont l'évolution en fonction du nombre visqueux Iv est étudiée. Les contacts jouent un rôle majeur pour tout Iv mais saturent à une valeur constante pour les grands Iv . Dans ce régime, les efforts de lubrification dominent. Cette interaction entre les contacts et les efforts hydrodynamiques est en accord avec la loi constitutive déduite des expériences de Boyer et al [BP11]. Les variables de microstructure sont aussi examinées et mettent en évidence une interaction complexe entre les contactset les interactions hydrodynamiques. Enfin, le comportement des avalanches sous-marines en fonction de la viscosité du fluide et de l'angle d'inclinaison du milieu par rapport à l'horizontale est analysé. Les résultats sont en accord avec les lois phénoménologiques décrites expérimentalement
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