Etude de procédés de compaction par vibrations horizontales en milieu ouvert ou fermé - Approches expérimentales et numériques.

Olivier Bonnefoy (1, 2, 3) , Sébastien Nadler (1, 2, 3) , Gérard Thomas (1, 2, 3) , Jean-Marc Chaix (4) , Jean-Louis Gelet (5)

1 SPIN-ENSMSE - Centre Sciences des Processus Industriels et Naturels
2 LGF-ENSMSE - Laboratoire Georges Friedel
3 PROPICE-ENSMSE - Département PROcédés Poudres, Interfaces, Cristallisation et Ecoulements
4 SIMaP - Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés
5 MERSEN

Les procédés de compaction par vibrations sont largement utilisés dans l'industrie (génie civil par exemple pour densifier les soubassements de routes). Plus récemment, dans le domaine des fusibles, les vibrations horizontales ont permis d'améliorer le remplissage de sable dans les récipients contenant les éléments fusibles. L'objectif scientifique est de développer la compréhension des mécanismes mis en jeu dans un milieu granulaire vibré horizontalement permettant d'optimiser le procédé industriel. Deux approches ont été utilisées en parallèle, l'une expérimentale, l'autre par simulation numérique. L'approche expérimentale a été réalisée sur des grains de silice de diamètre moyen 500 mm. Un récipient de dimensions allant de 1.5 centimètre à 80 cm est soumis à un mouvement sinusoïdal de fréquence comprise entre 20 et 200 Hz, avec des accélérations allant jusqu'à 10 g. Le dispositif instrumenté permet la mesure instantanée de la force, de l'accélération, de la vitesse des grains aux parois (PIV) et de la densité globale du milieu. L'approche numérique est basée sur la méthode des éléments discrets (DEM). Nous avons développé des méthodes spécifiques d'analyse des résultats pour assurer la comparaison avec l'expérience. Elles permettent d'obtenir des informations qui ne sont pas accessibles expérimentalement comme les densités, vitesses et contraintes locales dans l'ensemble de l'empilement. Dans le cas d'un récipient ouvert, la simulation permet de retrouver les résultats expérimentaux : rouleaux de convections, seuils de comportement, influence de l'accélération... Des résultats originaux ont été établis dans les expériences et les simulations comme une croissance de la vitesse des grains avec la longueur du récipient. La simulation a aussi permis d'obtenir des résultats comme l'influence du coefficient de friction sur le sens des rouleaux et la caractérisation des contraintes au sein de l'empilement. Le comportement du sable dans un récipient fermé (milieu confiné) a été étudié expérimentalement au cours d'un remplissage progressif. De nettes différences par rapport au milieu ouvert ont été constatées lorsque le taux de remplissage devient élevé. Des mesures d'accélération et de force sur l'ensemble du dispositif ont permis de définir et mesurer une masse apparente et l'énergie dissipée par le dispositif. This work on the densification of a granular medium under horizontal vibrations was realised in the context of an industrial study on sand in fuses. The scientific purpose is the understanding of the mechanisms involved in horizontally vibrated granular media, either in open box as in closed systems. Both experiments and computer simulations were used to follow the behaviour of the sand packing. Experiments were conducted with 500 μm silica grains. Sinusoidal accelerations up to 10 g were applied to a container of a few centimetres using frequencies between 20 and 200 Hz. The experimental device enables instantaneous force, acceleration, grain velocity on the walls (PIV) and mean bulk density to be measured. Discrete element method (DEM) was used for the computer simulations. Specific techniques were developed to analyse the results and compare them with experiments. Computer simulations provided data which are not experimentally available such as local values of density, velocities and stress inside the particle packing. In the case of an open container, simulation results are in good agreement with experimental ones (convection rolls, thresholds, effect of acceleration...). Original results are obtained in both experiments and simulations, such as the grain velocity increasing with the container length. Simulation provided specific results such as the effect of friction coefficients on the direction of rotation of convection rolls and the haracterization of stress inside the particle packing. The behaviour of sand in a closed container (confined medium) was studied during a progressive filling. Significant differences were observed when the filling rate becomes high. The dissipated energy and the apparent mass of the vibrated device were defined and measured using acceleration and force measurements. The highest densities were reached for very high relative acceleration.

Mots clés: Milieu granulaire; vibrations horizontales; Horizontal vibrations; Densification; Simulation; Discrete Element Method; DEM; Granular Media

Domaines: Génie des procédés

Olivier Bonnefoy, Sébastien Nadler, Gérard Thomas, Jean-Marc Chaix, Jean-Louis Gelet. Etude de procédés de compaction par vibrations horizontales en milieu ouvert ou fermé - Approches expérimentales et numériques.. XIV° Congrès de la Société Française de Génie des Procédés, Oct 2013, Lyon, France. pp.No 496. ⟨hal-00875473⟩