Modeling the rheology of wet granular materials
Modélisation de la rhéologie des matériaux granulaires humides
Résumé
By means of extensive particle dynamics simulations in three dimensions, we investigate the rheology and agglomeration process of granular materials such as wet powders, which involve cohesive and viscous interactions in addition to frictional contact forces. In shear flow simulations, we show that the flow variables such as effective friction coefficient and packing fraction and texture variables such as coordination number and anisotropy can be described as a function of a single dimensionless number that incorporates the inertial, cohesive and viscous forces. We also study the evolution of an agglomerate inside a granular shear flow of dry particles and in a rotating drum containing wet particles. The evolution of the agglomerate depends on the accretion and erosion dynamics, which are governed by cohesive interactions. We determine the phase-space diagrams in terms of the agglomerate growth, deformation, damage and erosion as a function of the cohesion index and inertial number. The compressive strength of the agglomerates is also investigated under diametral compression and shown to be proportional to the adhesion force between the particles with a pre-factor that depends on the connectivity of the primary particles.
Dans cette thèse essentiellement numérique, nous avons étudié la rhéologie et le processus d'agglomération de matériaux granulaires humides impliquant des interactions cohésives et visqueuses venant s’ajouter à celles de contact-frottant. Des écoulements en cisaillement, simulés par une approche de type éléments discrets 3D, nous ont permis de montrer que les variables caractérisant le comportement (coefficient de frottement effectif et compacité) ainsi que celles décrivant la texture (nombre de coordination et anisotropie) peuvent être décrites comme fonction d'un unique nombre sans dimension; incorporant les forces inertielles, cohésives et visqueuses. Nous nous sommes également intéressés à l'évolution d'un agglomérat à l'intérieur d'un écoulement de particules sèches cisaillées ainsi que dans un tambour rotatif contenant des particules humides. Il a été montré que l’évolution de l'agglomérat dépend de la dynamique d'accrétion et d’érosion et que celle-ci est régies par les interactions cohésives. Des diagrammes de phase en termes de croissance, de déformation, d'endommagement et d’érosion sont présentés en fonction de l'indice de cohésion et du nombre inertiel. Enfin, la résistance à la compression des agglomérats a été également étudiée sous compression diamétrale. On montre qu’elle est proportionnelle à la force d’adhésion entre particules avec un pré-facteur qui dépend de la connectivité des particules primaires.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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