Mixing and segregation rates in granular materials
Vitesses de mélange et de ségrégation granulaire
Résumé
Ubiquitous in a wide range of applications, granular materials have been receiving over the past decades a growing attention in the research community in order to establish their rheology. One of the main focuses, especially in the engineering world, is the problem of particles mixing. It raises interesting and fundamental problematics on interaction between particles of different properties; one of the recurring being segregation, mainly size-segregation that often leads to structural mal-performance in industrial products such as glass, abrasives, pills just to name a few. In this work organised in two parts, we first, investigate segregation and convection mechanisms in a 3D configuration and in a second segment, we look into mixing dynamics in a 2D setup. In the 3D configuration, a bidisperse medium of large sand particles and small glass beads is mixed in a cylindrical vessel that is put in rotational motion around an eccentric static rod. The subsequent segregation occurring in the system is investigated primarily at the free-surface where the large particles concentration globally increases towards a limit value while oscillating. In order to gain deeper understanding of the intrinsic mechanisms causing the segregation, we also explore the dynamics in the bulk. Average residual bulk displacements fields both vertically and orthoradially could then be measured and show a secondary convection flow that counteracts the segregation process. The 2D configuration consists in a horizontal plane, in which we investigate mixing dynamics in a bidisperse medium composed of small and large cylinders, sheared with a moving cylindrical intruder. Parameters such as the size of the intruder, the global packing fraction, the trajectory of the intruder as well as the shearing process are tested and their influence on the mixing process outlined. Spatial heterogeneities and characteristic mixing scales are also investigated through the definition of a standard deviation on the spatial concentration of small particles in the medium. Last, kinematics fields in the medium are probed and bring another layer of explanation of the mixing mechanisms observed.
Omniprésents dans un large éventail d'applications, les matériaux granulaires ont reçu une attention scientifique croissante au cours des dernières décennies. L'un des principaux centres d'intérêt, en particulier dans le monde industriel, est la problématique du mélange. Elle soulève des questions intéressantes et fondamentales sur l'interaction entre particules de propriétés différentes. L'un des achoppements récurrents reste la ségrégation, principalement la ségrégation par différence de tailles qui conduit souvent à des performances structurelles médiocres dans les produits industriels tels que le verre, les abrasifs, les pilules...etc. Dans ce travail organisé en deux parties, nous étudions d'abord les mécanismes de ségrégation et de convection dans une configuration 3D et dans un deuxième segment, nous examinons la dynamique de mélange dans une configuration 2D. Dans la configuration 3D, un milieu bidispersé constitué de grandes particules de sable et de petites billes de verre est mélangé dans une cuve cylindrique mise en rotation autour d'une tige statique excentrée. La ségrégation subséquente se produisant dans le milieu est étudiée à la surface libre où la concentration en grandes particules dans le temps, croit globalement vers une valeur limite tout en oscillant. Afin de mieux comprendre les mécanismes intrinsèques à cette ségrégation, nous explorons également les dynamiques de déplacement des particules dans le volume. Des champs moyens de déplacements à la fois verticaux et orthoradiaux sont mesurés expérimentalement et montrent un flux de convection secondaire coexistant avec la ségrégation. La configuration 2D consiste en un plan horizontal, dans lequel nous étudions la dynamique de mélange d'un milieu bidispersé composé de petites et grandes particules cylindriques. Le milieu est cisaillé par un intrus en mouvement contrôlé. Des paramètres tels que la taille de l'intrus et la trajectoire de l'intrus, la compacité globale ainsi que le processus de cisaillement sont étudiés et leur influence sur le processus de mélange est mise en évidence. Les hétérogénéités spatiales et les échelles de mélange caractéristiques sont également étudiées à travers la définition d'un écart-type sur la concentration spatiale des petites particules dans le milieu. Enfin, les champs cinématiques dans le milieu sont sondés et apportent une couche d'explication supplémentaire des mécanismes de mélange observés.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
|---|