Rhéologie des écoulements granulaires immergés dans un fluide visqueux

Dans cette thèse on s’appuie sur la simulation numérique discrète pour étudier le comportement mécanique d’un milieux granulaire immergé dans un fluide visqueux. Le calcul de la dynamique du mélange est rendu possible grâce à un couplage fort entre méthodes des éléments discrets (DEM) pour les grains et Lattice Boltzmann (LBM) pour le fluide. Pour une large gamme de valeurs de vitesses de cisaillement, contraintes de confinement et viscosités, les résultats montrent que le coefficient de frottement interne et la compacité sont bien décrits par un unique paramètre adimensionnel "visco-inertiel" associant les nombres de Stokes et d’inertie. Le comportement frottant, obtenu à pression de confinement constante, est mis en correspondance avec le comportement visqueux obtenu sous conditions aux limites à volume contrôlé et qui conduit à une divergence des viscosités effectives normales et tangentielles en inverse du carré de la différence entre compacité et compacité critique de l’assemblage. Les résultats numériques montrent un excellant accord avec les données expérimentales de Boyer et al. (2011). L’évolution de la connectivité et de l’anisotropie du réseau de force en fonction du nombre viscoinertiel montrent que l’augmentation de la résistance au frottement est une conséquence directe d’une anisotropie de structure renforcée à la fois par les effets de la viscosité et de l’inertie des grains. En vue d’une contribution à l’évaluation des risques consécutifs à un accident nucléaire, nous nous sommes également intéressés à l’étude de la fragmentation et de l’écoulement d’agrégats poreux confinés et soumis à une surpression locale exercée par un fluide. L’étude de l’écoulement sous gravité d’un matériau granulaire immergé à travers une constriction a également fait l’objet d’une campagne d’essais numériques.