Résumé
1. IntroductionL'étude de la transmission des contrainteset des typologies de mouvements dans un lit de poudre dans des conditions de faible cisaillement constitue un défi pour contrôler les procédésimpliquant la mobilité des particules, tels que lemalaxage ou encore l'agglomération (Fig. 1 a) [1]. Ce travail porte sur la quantificationde la capacité d'un intrudeur à transmettrela mobilité des particules dans un lit granulaire[2].L’approche suivie repose sur l’analyseconjointed’une expérimentation spécifique et le développement decodesde calcul DEM (Discrete Element Method) [3]. L’expériencedéveloppéepermet (i) de visualiser la mobilitédes particules au voisinage d’un intrudeuret (ii) de mesurer la force de traînée perçue lors de son mouvement dans lemilieu granulaire ensilé. Afin d'identifier la propagation deseffortsdans le lit de particules, expérimentationset simulations numériquessont comparées pourdifférentes vitesses de l’intrudeur.2. MéthodesDispositif expérimental. Le montage expérimental (Fig. 1 b) comprendune cellulesemi-ouverteconstituéede parois transparentespermettant l’emploi d’une caméra à images rapides puis dont les analyses par analyse PIV(Particle Image Velocimetry) fournissent le champ de déplacement des particules (billes de verre de 1-2 mm de diamètre) au voisinage de l’intrudeur (Fig. 1 c). L’intrudeur en acier est relié à un capteur de force. Il est insérédans la cellulepuis le lit de particules est mis en place. L’intrudeur est ensuite retirédu milieugranulaireparun mouvement vertical ascendant. La force de traînée et le champ de vitesses induits sontalors mesurés.Simulation numérique. Un code en c++a été spécifiquement développé pour calculer les déplacements et l’évolution duréseau de forces intergranulaires (forces normales, tangentielleset moments) au sein dumilieu ensilé (Fig. 1d). L’utilisation d’un«coarse graining» permet d’accéder auchamp de contraintes. Une méthode originale de «doublegrille» est développée afind’augmenter la précisiondes calculs et de calculerle champ de compacité. Ces trois codes, autorisentl’exploration de tous les contacts entre les particules à chaque instant fournissantune visualisationde l’influence de l’intrudeursur la microstructure.3. Résultats et discussionLes mesures de force et des champs de déplacement des particulespermettent d’identifier différentes typologiesde mobilités (compactage, chargement/rupture des chaînes de forces, effondrements latéraux, avalanches, etc.). Les résultats expérimentauxsont comparésaux simulations de DEMqui renseignentsur l'évolution microstructurelle du milieu (compacité, durée de vie des contacts, shear-banding(Fig. 1 e)...). Les fluctuations de la contrainte sur l’intrudeur sont cycliques et correspondentaux chargementsetrupturesdes chaînes de forces dans la zone de particules influencées. Leur dépendance en fonction des conditions opératoires est explicitée. L’analyse des corrélations spatio-temporelles duchamps de vitesse permet de définir laportée de l’intrudeurcommeune longueur caractéristique liée au développement de gradients de mobilités.4. ConclusionLes observations expérimentales couplées auxsimulations de DEM permettent d'accéder au comportement du milieu granulaireà l'échelle du réacteur et à l'échelle de sa microstruture. L'analyse de l'évolution du réseau de forces intergranulairespermet de définir deslongueurs et temps caractéristiques à partir denombres dimensionnels. Ces paramètres peuvent ensuite être utilisés pour optimiser la conduite d'un procédéimpliquant la mobilité des particules induite par unapport d'énergie mécanique externe telle qu’unintrudeur.