5.5 Conclusion
6.1.4 Ajustement des diff´erents profils des d´eplacements du milieu granulaire
Pour mieux cerner les d´ependances des champs de d´eplacements des grains autour de l’intrus en translation au sein du milieu granulaire en fonction de nos param`etres nous avons proc´ed´e `a un ajustement de leurs profils sur les deux axes que nous avons privil´egi´es au cours de notre ´etude.
Ajustement des profils transversaux
Les d´eplacements selon l’axe perpendiculaire `a la translation de l’intrus peuvent ˆetre ajust´es dans la zone la plus proche de la paroi frontale, la zone 5, quand le r´egime d’´ecoulement est stationnaire, donc ind´ependant de 𝑑𝑤𝑎𝑙𝑙 et qu’il n’´evolue plus avec 𝜙, en fonction du dernier
param`etre libre : le diam`etre 𝐷 de l’intrus. Le d´eplacement longitudinal des grains se trouvant sur l’axe diam´etral de l’intrus, 𝑢𝑦(𝑥, 𝑦 = 0) = 𝑈𝑌(𝑋,𝑌 =0)𝑈0 , peut ˆetre mod´elis´e par la fonction
𝑎𝑥(𝑥 − 𝑥0)𝑒−
𝑥−𝑥0
𝜆𝑥 (figures 6.11) o`u 𝑎𝑥, 𝑥0, 𝜆𝑥 sont des param`etres ajustables adimensionn´es.
(a) 𝑎𝑥(𝑑𝑖) (b) 𝑥0(𝑑𝑖)
(c) 𝜆𝑥(𝑑𝑖)
Figure 6.11 – Les courbes a, b, et c repr´esentent l’´evolution respective des param`etres d’ajustement 𝑎𝑥 en 𝑈0, 𝑥0 en 𝐷𝑔, 𝜆𝑥 en 𝐷𝑔 en fonction du diam`etre de l’intrus 𝐷 en 𝐷𝑔.
Le param`etre 𝜆𝑥 (figure 6.11 c) caract´erise une port´ee d’interaction lat´erale entre l’intrus
et le milieu granulaire. Il croˆıt l´eg`erement avec le diam`etre 𝐷 de l’intrus. En effet, l’ajustement lin´eaire de celui-ci nous donnant 𝜆𝑥 = 𝛼 + 𝛽𝑑𝑖, avec 𝛼 = 1, 5 ± 0, 1 et 𝛽 = 0, 14 ± 0, 02, o`u
𝜆𝑥 et 𝑑𝑖 = 𝐷𝐷𝑔 le diam`etre de l’intrus normalis´e par un diam`etre de gros grain, sont donn´es en
diam`etre de gros grain 𝐷𝑔. L’´evolution de la port´ee de l’interaction lat´erale entre l’intrus et le
milieu granulaire avec le diam`etre 𝑑𝑖 de l’intrus reste faible avec une pente de l’ordre de 1/7.
L’´evolution du param`etre 𝑥0 (figure 6.11 b) est ajust´e par une fonction affine, passant
pratiquement par z´ero et croissant de mani`ere lin´eaire avec 𝑑𝑖. L’ajustement de ce param`etre
nous donne en effet : 𝑥0 = 𝛾 + 𝛿𝑑𝑖, avec 𝛾 = 0, 1 ± 0, 1 et 𝛿 = 0, 53 ± 0, 02, o`u 𝑥0 est donn´e en
diam`etre de gros grain 𝐷𝑔. Cet ajustement nous permet d’approximer 𝑥0 ≈ 0, 5 𝑑𝑖. Ce param`etre
s’identifie donc au rayon de l’intrus, 𝑑𝑖/2. Le d´eplacement 𝑢𝑦 s’annule sur le bord de l’intrus
sur le bord de l’intrus dans le r´ef´erentiel du laboratoire. Les grains glissent et roulent sur les bords de celui-ci.
L’utilisation d’une bande de peinture fluorescente appliqu´ee sur les grains permet de visua- liser les rotations et montre que les grains roulent et glissent autour de l’intrus en le contournant le montre la figure 6.12.
(a) intrus en 𝑌 (b) intrus en 𝑌 + 20/6 mm
(c) intrus en 𝑌 + 40/6 mm (d) intrus en 𝑌 + 60/6 mm
Figure 6.12 – Un trait de peinture fluorescent appliqu´e sur les grains nous donne acc`es aux rotations et glissements des grains. L’intrus a un diam`etre 𝐷 = 29, 9 mm, la fraction d’empilement est 𝜙 = 82, 4 % et la largeur de la cellule de travail est 𝑊 = 269, 5 mm. Entre les photos a et d, l’intrus a parcouru 10 mm dans le r´ef´erentiel du plateau.
L’´evolution relative du param`etre 𝑎𝑥 (grandeur adimensionn´ee par le d´eplacement du pla-
teau entre deux acquisitions 𝑈0) avec 𝑑𝑖 (figure 6.11 a) est tr`es faible. Commen¸cant par croˆıtre
de mani`ere lin´eaire, partant de 0, 4 pour atteindre 0, 6 quand 𝑑𝑖 passe de 2, 36 `a 5, ce param`etre
semble par la suite stagner autour de 0, 6 ± 0, 05 pour des intrus de diam`etre 𝑑𝑖 sup´erieur ou
Incompressibilit´e globale
A priori, ce param`etre 𝑎𝑥est difficile `a cerner, mais nous notons que dans le r´ef´erentiel du la-
boratoire, le champ de d´eplacements s’´ecrit 𝑢𝑙𝑎𝑏𝑜
𝑦 (𝑥, 𝑦 = 0) = 1 + 𝑎𝑥(𝑥 − 𝑥0) 𝑒−
𝑥−𝑥0
𝜆𝑥 . L’´evolution
du param`etre 𝑎𝑥 peut alors ˆetre comprise en consid´erant que le d´ebit du milieu granulaire
s’´ecoulant autour de notre intrus dans le r´ef´erentiel du laboratoire est constant. Cette hy- poth`ese est irr´efutable car la cellule qui contient le milieu granulaire est ferm´ee. A l’´echelle locale, celle-ci est plus discutable car sous entendant l’incompressibilit´e du milieu granulaire. C’est ce que nous allons v´erifier en consid´erant l’´equation de conservation du d´ebit, 𝑄, dans le r´ef´erentiel du laboratoire :
𝑄 = 𝑊 × 𝑈0 = 𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑛𝑡
En normalisant les dimensions par 𝐷𝑔 et les d´eplacements par 𝑈0, nous exprimons le d´ebit
𝑞 adimensionn´e par : 𝑞 = 𝑄 𝑈0× 𝐷𝑔 = 𝑈0× 𝑊 𝑈0× 𝐷𝑔 Soit : 𝑞 = 𝑤
En nommant 𝑄𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎𝑛, le d´ebit au niveau de l’axe transversal passant par le centre de
l’intrus :
𝑄𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎𝑛 = 2
∫ 𝑊2
𝑅𝑖𝑛𝑡𝑟𝑢𝑠
𝑈𝑌𝑙𝑎𝑏𝑜(𝑋, 𝑌 = 0) 𝑑𝑋
avec 𝑅𝑖𝑛𝑡𝑟𝑢𝑠, le rayon de l’intrus, soit 𝐷/2, et 𝑊2 la demi largeur de la cellule de travail.
En utilisant les grandeurs adimensionn´ees nous avons vu que dans le r´ef´erentiel du plateau :
𝑢𝑝𝑙𝑎𝑡𝑒𝑎𝑢𝑦 (𝑥, 𝑦 = 0) = 𝑎𝑥(𝑥 − 𝑥0) 𝑒−
𝑥−𝑥0 𝜆𝑥
dans le r´ef´erentiel du laboratoire :
𝑢𝑙𝑎𝑏𝑜𝑦 (𝑥, 𝑦 = 0) = 1 + 𝑎𝑥(𝑥 − 𝑥0) 𝑒− 𝑥−𝑥0 𝜆𝑥 avec 𝑢𝑦(𝑥, 𝑦 = 0) = 𝑈𝑌(𝑋,𝑌 =0)𝑈0 et 𝑥 = 𝑋 𝐷𝑔.
𝑞𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎𝑛 = 2
∫ 𝑤2
𝑟𝑖𝑛𝑡𝑟𝑢𝑠
𝑢𝑙𝑎𝑏𝑜𝑦 (𝑥, 𝑦 = 0) 𝑑𝑥
o`u 𝑟𝑖𝑛𝑡𝑟𝑢𝑠 = 𝑅𝑖𝑛𝑡𝑟𝑢𝑠𝐷𝑔 est le rayon adimensionn´e de l’intrus et 𝑤 = 𝐷𝑊𝑔 la largeur adimensionn´ee
de la cellule de travail.
D`es lors, le d´ebit m´edian adimensionn´e, 𝑞𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎𝑛, s’´ecrit :
𝑞𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎𝑛 = 2 ∫ 𝑤2 𝑟𝑖𝑛𝑡𝑟𝑢𝑠 ( 1 + 𝑎𝑥(𝑥 − 𝑥0) 𝑒− 𝑥−𝑥0 𝜆𝑥 ) 𝑑𝑥
Comme nous avons vu d’apr`es les ajustements pr´ec´edents que 𝑋0 = 𝑅𝑖𝑛𝑡𝑟𝑢𝑠 = 𝐷/2, soit
𝑥0 = 𝑟𝑖𝑛𝑡𝑟𝑢𝑠, la formule du d´ebit m´edian s’int`egre :
𝑞𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎𝑛 2 = [𝑤 2 − 𝑥0 ] + [ (𝑤 2 − 𝑥0 )( −𝑎𝑥𝜆𝑥𝑒− 𝑤 2 −𝑥0 𝜆𝑥 )] + [ −𝑎𝑥𝜆2𝑥𝑒− 𝑤 2 −𝑥0 𝜆𝑥 + 𝑎𝑥𝜆2 𝑥 ]
En consid´erant maintenant l’´egalit´e des d´ebits entrant et m´edian :
0 = −𝑥0+ 𝑎𝑥 [ ( −𝜆2 𝑥+ 𝜆𝑥 ( 𝑥0− 𝑤 2 )) 𝑒− 𝑤 2 −𝑥0 𝜆𝑥 + 𝜆2 𝑥 ] . D’o`u : 𝑎𝑥= 𝑥0 𝜆2 𝑥 [ 1 + 𝑒− 𝑤 2 −𝑥0 𝜆𝑥 (𝑥 0−𝑤2 𝜆𝑥 − 1 )] .
Nous remarquons que pour la plupart de nos exp´eriences o`u 𝑊 = 269, 5 mm, ou 𝑤 = 53, 9 (en diam`etre de gros grains) et 𝑥0 varie typiquement entre 1 et 4, alors nous avons :
𝑤/2 − 𝑥0 >> 𝜆𝑥 ∼ 2 d’o`u : 𝑒− 𝑤 2 −𝑥0 𝜆𝑥 ≈ 𝑒−10<< 1 D`es lors : 𝑎𝑥 ≈ 𝑥0 𝜆2 𝑥 .
d’un milieu granulaire globalement incompressible et ainsi de comparer ces valeurs pour nos diff´erents diam`etres d’intrus `a celles mesur´ees exp´erimentalement (figure 6.13). Sur la figure 6.13, les carr´es noir repr´esentent les valeurs exp´erimentales de 𝑎𝑥 issues des ajustements des
champs de d´eplacements transversaux ; les ronds rouges sont obtenus en raportant les valeurs de 𝑥0 et de 𝜆𝑥 trouv´ees `a partir des ajustements dans la formule th´eorique pr´ec´edente de
𝑎𝑥 supposant l’incompressibilit´e. Les triangles verts sont obtenus de la mˆeme fa¸con, mais en
prenant pour 𝑥0 la valeur 𝑟𝑖𝑛𝑡𝑟𝑢𝑠= 2𝐷𝐷𝑔.
Figure 6.13 – Le graphique ci-dessus est la superposition de l’´evolution du param`etre 𝑎𝑥 en fonction
du diam`etre 𝐷 de l’intrus normalis´e. Nous avons repr´esent´e sur le mˆeme graphique les valeurs de 𝑎𝑥 donn´es par l’ajustement des valeurs exp´erimentales, les carr´es noirs, celles donn´ees par le calcul
th´eorique bas´e sur l’incompressibilit´e du milieu granulaire en utilisant 𝑥0 obtenue par ajustement, les
ronds rouge, et celles obtenues en fixant la valeur de 𝑥0 au rayon de l’intrus, les triangles vert.
La superposition des valeurs de 𝑎𝑥 obtenues par ajustement des r´esultats exp´erimentaux
ou par mod´elisation montre que notre milieu granulaire est globalement incompressible. Plus pr´ecis´ement, les champs de d´eplacements moyenn´es en zone 5 ont une forme compatible avec l’hypoth`ese d’incompressibilit´e globale.
Ajustement des profils axiaux
En consid´erant maintenant les d´eplacements des grains dans l’axe de translation de l’intrus, ces derniers peuvent ˆetre ajust´es dans la zone la plus proche de la paroi frontale en fonction de 𝑌 pour diff´erentes valeurs de 𝐷. Dans ce cas pr´ecis, le d´eplacement des grains 𝑢𝑦 selon l’axe de
translation de l’intrus, peut ˆetre mod´elis´e par la fonction 𝑢𝑦 = 𝑈𝑌(𝑋=0,𝑌 )𝑈0 = 𝛼 + 𝑎𝑦𝑒
−𝑦−𝑦0𝜆𝑦
o`u 𝛼, 𝑎𝑦, 𝑦0 et 𝜆𝑦 sont les param`etres ajustables.
´
Etant donn´e qu’il est trop difficile d’ajuster simultan´ement les 4 param`etres de la fonction sur nos valeurs exp´erimentales, nous avons commenc´e par imposer la valeur 1 `a 𝑎𝑦, les grains
(a) 𝛼(𝐷) (b) 𝑎𝑦(𝐷)
(c) 𝑦0(𝐷) (d) 𝜆𝑦(𝐷)
Figure 6.14 – Les graphiques a, b, c, et d repr´esentent l’´evolution respective des param`etres d’ajus- tement 𝛼 en 𝑈0, 𝑎𝑦 en 𝑈0, 𝑦0 en 𝐷𝑔, 𝜆𝑦 en 𝐷𝑔 en fonction du diam`etre de l’intrus 𝐷 en 𝐷𝑔.
en contact direct avec l’intrus devant ce dernier ayant a priori un d´eplacement ´egal `a celui de l’intrus, tout en ajustant les trois param`etres restants 𝛼, 𝑦0 et 𝜆𝑦.
Nous avons alors constat´e que le param`etre 𝑦0 ´evoluait comme le rayon de l’intrus,
𝐷/2𝐷𝑔 (figure 6.14 c). En effet l’ajustement de 𝑦0 en fonction de 𝑑𝑖 = 𝐷/𝐷𝑔 donne 𝑦0 =
(0, 009 ± 0, 08) + (0, 52 ± 0, 02) 𝑑𝑖. Nous avons donc fix´e 𝑦0 `a 0, 5 𝑑𝑖, soit 𝑟𝑖𝑛𝑡𝑟𝑢𝑠, c’est-`a-dire
𝐷/ (2 × 𝐷𝑔), en laissant libre cette fois-ci le param`etre 𝑎𝑦. Nous avons alors constat´e que les
nouvelles valeurs des param`etres d’ajustements restants (𝛼 et 𝜆𝑦) ´etaient inchang´es par rapport
aux ajustements pr´ec´edents.
Le param`etre 𝛼 (figure 6.14 a) est quasi constant quel que soit 𝐷 sauf pour 𝐷 = 29, 9 mm = 5, 88 𝐷𝑔 o`u 𝛼 = 0, ce diam`etre d’intrus correspondant `a une exp´erience o`u le champ de vision
de la cam´era est plus ´etendu. Sa valeur moyenne est ici de 0, 016 ± 0, 009 en unit´e de 𝑈0.
Nous pouvons la consid´erer comme nulle. Son introduction dans l’ajustement repose sur le fait que les d´eplacements des grains loin devant l’intrus ne sont pas tout `a fait nuls alors qu’au
bord de la cellule de travail (visible pour le champ de vision le plus large, correspondant `a l’intrus de diam`etre 𝐷 = 29, 9 mm) la pr´esence des parois rend impossible tout d´eplacements de mati`ere vers l’ext´erieur. Il y a donc quelque part, hors du champ de vision un raccord entre un d´eplacement des grains non nul `a l’approche de la paroi frontale en limite du champ de vision et un d´eplacement nul sur la paroi elle-mˆeme.
Tout comme 𝛼, le param`etre 𝑎𝑦 (figure 6.14 b) n’´evolue pratiquement pas avec 𝐷. Sa valeur
moyenne est 1, 03 ± 0, 05 en unit´e de 𝑈0, 𝑎𝑦 ≈ 1. Avec un param`etre 𝛼 nul, 𝑎𝑦 mod´elise le
d´eplacement des grains sur l’intrus lui mˆeme, il est donc normal de trouver une valeur proche de 1 en valeur adimensionn´ee, soit 𝑈0. Les grains juste devant l’intrus sont pouss´es par ce
dernier, leurs d´eplacements correspondant `a celui de l’intrus.
Le param`etre 𝜆𝑦 est une distance d’interaction longitudinale entre l’intrus et le milieu
granulaire. Il ´evolue de mani`ere lin´eaire avec le diam`etre 𝐷 de l’intrus. Comme dans le cas de 𝜆𝑥, l’ajustement lin´eaire de celui-ci donne une fonction faiblement croissante du diam`etre
d’intrus adimensionn´e 𝑑𝑖 = 𝐷/𝐷𝑔 : 𝜆𝑦 = (1, 1 ± 0, 2) + (0, 24 ± 0, 04) 𝑑𝑖.
La g´eom´etrie de notre syst`eme et les profils des d´eplacements, nous font penser que certains param`etres ajustables peuvent se retrouver aussi bien sur les ajustements effectu´es le long de l’axe de translation de l’intrus que sur l’axe diam´etral de l’intrus perpendiculaire `a l’´ecoulement moyen. Ainsi les param`etres 𝜆𝑥, 𝜆𝑦 semblent ´evoluer de la mˆeme fa¸con. Pour mettre en ´evidence
cette relation entre ces param`etres d’ajustement, nous avons trac´e 𝜆𝑥 en fonction de 𝜆𝑦 (figure
6.15). Nous constatons alors une forte corr´elation entre ces param`etres.
Figure 6.15 – La figure ci-dessus est le trac´e du param`etre 𝜆𝑥 en fonction du param`etre 𝜆𝑦. L’unit´e
de mesure est 𝐷𝑔, le diam`etre d’un gros grain.
La relation liant 𝜆𝑦 `a 𝜆𝑥 est affine : 𝜆𝑥 = (0, 88 ± 0, 08) + (0, 55 ± 0, 04) 𝜆𝑦. L’´evolution de
𝜆𝑦 similaire `a celle de 𝜆𝑥 (figure 6.15) n’est pas anodine. Elle provient du fait que 𝜆 mod´elise la
simple remise `a l’´echelle des d´eplacements par une seule distance caract´eristique n’est pas possible.