Les résultats obtenus en termes de différences de contraintes normales, adimensionnées par la contrainte de cisaillement τ = ηrη ˙γ, sont présentés en Fig. 9.3 pour différents coefficients de
frottement µd. L’effet du frottement sur ces différences de contraintes normales est très marqué avec
une réduction de |N1| et une augmentation de |N2|.
Fig. 9.3 – Différences de contraintes normales N1/τ (a) et N2/τ (b) en fonction de la fraction
volumique et du coefficient de frottement µd. La rugosité réduite vautξr ug=5.10−3.
Cet effet est compatible avec les quelques études antérieures sur le rôle du frottement (Sierou et Brady, 2002; Wilson et Davis, 2002). Comme nous l’avons déjà mentionné, des simulations tridimensionnelles de rhéologie avec prise en compte du frottement sont reportées par Sierou et Brady (2002) pour φ=0,4 et µd=0,5. Ces auteurs mettent en évidence une réduction de 40 % de |N1|
et une augmentation de 75 % de |N2|. Nos simulations montrent des effets quelque peu différents
sur ce même cas avec une réduction de 30 % de |N1| ainsi qu’un triplement de |N2|. Ces écarts sont
probablement imputables au modèle de frottement plus simple utilisé par Sierou et Brady (2002) mais l’on notera cependant des comportements qualitativement similaires. En particulier, l’effet du frottement est nettement plus marqué sur N2. Ceci est attendu dans la mesure où les contacts se
font principalement dans le plan de cisaillement (x,y) ; de ce fait, le frottement va donner lieu à des contraintes Σpxxet Σ
p
y yplus élevées, d’où un effet attendu plus important sur N2=Σ p y y-Σ
p zz.
Les tendances observées sont intéressantes dans la mesure où les expériences montrent systé- matiquement une seconde différence N2 qui est largement plus grande que la première différence
N1, soit N2/N1> 1. La Fig. 9.4 trace nos résultats sous forme du rapport N2/N1 en fonction de la
fraction volumique et pour différents coefficients de frottement µd. En accord avec les simulations de
la littérature (SD ou FCM), les particules non-frottantes (µd=0) donnent toujours lieu à des rapports
N2/N1 ≈ 1 et ce, quasi-indépendamment de la fraction volumique. Pour les fractions très faibles
toutefois, on note que N2/N1 est légèrement inférieur à l’unité, ce qui semble en accord qualitatif
avec les résultats théoriques de Zarraga et Leighton Jr (2001) en régime dilué. Le frottement résulte en un rapport N2/N1plus grand et qui croît globalement avec le coefficient de frottement et la fraction
volumique. Pour les régimes denses φ&0,4 et les grands coefficients de frottement µd & 0,3, le
rapport N2/N1est de l’ordre de 3 à 4, ce qui s’avère proche des mesures de Zarraga et al. (2000) qui
trouvent N2/N1≈ 3,6. Une différence avec leurs travaux est toutefois que nos simulations suggèrent
que N2/N1possède une dépendance en φ, par ailleurs relativement marquée dans la gamme 0,2∼0,4.
Pour les frottements importants, le rapport N2/N1semble saturer, voire même légèrement diminuer,
Fig. 9.4 – Rapport N2/N1 en fonction de la fraction volumique et du coefficient de frottement µd.
La rugosité réduite vautξr ug=5.10−3.
La corrélation avec les résultats expérimentaux disponibles sur les différences de contraintes normales est présentée en Fig. 9.5 où l’on ne reporte – pour des raisons de clarté – que les résultats avec les coefficients de frottement extrêmes (µd=0 et µd=0,5).
Les mesures sont relativement cohérentes entre elles pour N2 et s’avèrent toutes assez proches
des résultats obtenus pour les simulations avec frottement. Les conclusions sont moins tranchées pour N1 dans la mesure où il n’existe pas à l’heure actuelle de consensus clair sur le signe de
N1. La Fig. 9.5(a) illustre très clairement les écarts expérimentaux sur cette grandeur avec des N1
tantôt négatifs, tantôt nuls ou positifs. Il persiste certainement des biais expérimentaux que nous ne discuterons pas ici (voir Dai et al. (2013) et Dbouk et al. (2013)) mais l’on remarquera seulement que les mesures s’avèrent globalement plus proches des simulations avec frottement. Toutefois, le calcul prédit toujours un N1qui reste négatif et ne peut de ce fait pas expliquer les résultats de Couturier
et al. (2011) ou de Dbouk et al. (2013) où N1est quasi-nul ou positif. Le frottement explique donc
en partie – mais pas totalement – les valeurs expérimentales faibles de |N1| ; un chapitre ultérieur
consacré au confinement reviendra sur cet aspect.
Fig. 9.5 – Différences de contraintes normales N1/τ (a) et N2/τ (b) en fonction de la fraction
volumique pour µd=0 et 0,5 et comparaisons avec les mesures (Couturier et al., 2011; Dai et al.,
2013; Dbouk et al., 2013; Singh et Nott, 2000; Zarraga et al., 2000). La rugosité réduite vaut ξr ug=5.10−3.
dynamique et contact des différences de contraintes normales adimensionnées N1/τ (a) et N2/τ (b)
pour des particules non-frottantes (µd=0) et frottantes (µd=0,5).
Pour la première différence, en Fig. 9.6(a), la contribution hydrodynamique est indépendante du frottement tandis que la contribution du contact est moins négative dans le cas frottant. La diminution de |N1| avec le frottement semble ainsi en grande partie liée à la réduction de la
contribution du contact. Ce rôle prédominant du frottement sur la composante de contact est similaire à celui déjà observé précédemment pour la viscosité. Pour des fractions volumiques modérées, la contrainte hydrodynamique représente la partie majoritaire de N1tandis que pour les
régimes plus denses, contraintes hydrodynamique et de contact contribuent de manière similaire. Pour la seconde différence, en Fig. 9.6(b), des conclusions similaires s’imposent, à savoir que le frottement joue un faible rôle sur la partie hydrodynamique alors qu’il affecte de manière marquée la contribution du contact. La Fig. 9.6(b) montre clairement que la partie hydrodynamique de N2
reste toujours faible. Ceci signifie que les deux différences de contraintes normales n’ont pas la même origine physique : pour N1, il s’agit principalement de l’hydrodynamique – au moins pour les
fractions faibles à modérées – alors que N2provient entièrement du contact. Cela n’est pas étonnant
outre mesure puisque les contacts se font principalement dans le plan de cisaillement et dans le quadrant de compression, soit |Σc
zz| ≪ |Σcy y| ≈ |Σcxx|.
Fig. 9.6 – Contribution hydrodynamique ("H") et de contact ("C") aux différences de contraintes normalesN1/τ(a) etN2/τ(b) en fonction de la fraction volumique pourµd=0 (en rouge) etµd=0,5
(en bleu). La rugosité réduite vautξr ug=5.10−3.
Dans les différents résultats qui viennent d’être présentés, il semble se dessiner un changement de comportement pour une fraction volumique de l’ordre de 0,4 à 0,45. Cette valeur marque le début d’un écart marqué entre ηh et ηr
∞ ainsi qu’une modification dans l’évolution de N1 et N2,
principalement aux µdélevés. Ce changement se matérialise nettement par un maximum du rapport
N2/N1 dans ces cas. Expérimentalement, les expériences de Blanc (2011) montrent également une
modification forte de la microstructure à cette fraction volumique. Il est possible que celle-ci délimite un régime dense au comportement différent, peut-être du fait d’une prédominance des forces de contact. Notons que ce changement ne semble pas imputable à l’effet des parois. Il serait nécessaire d’étudier plus en détail ces régimes très concentrés.