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Detailed view PhD thesis
Institut National Polytechnique de Lorraine - INPL (02/11/2002), Sardin Michel, Falk Véronique, D'Ortona Umberto (Dir.)
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Ecoulements de milieux granulaires en tambour tournant. Étude de quelques transitions de régime. Application à la ségrégation.
Gwenaëlle Félix1

La rhéologie et les lois de comportement des écoulements granulaires font l'objet de nombreuses recherches, aussi bien expérimentales que théoriques. Des études d'écoulements continus de billes en tambour tournant ont mis en évidence que le gradient de vitesse dans la zone à écoulement libre est constant. Nous avons testé expérimentalement la validité de cette expression du gradient de vitesse pour des gammes de paramètres de fonctionnement beaucoup plus larges que celles utilisées jusqu'à présent. Pour de faibles vitesses de rotation du tambour, nous avons montré que les angles d'avalanche et de repos peuvent être homothétiques dans la mesure où les particules sont comparables en terme distribution granulométrique et de morphologie. A plus forte vitesse de rotation, des mesures systématiques d'épaisseur de zone d'écoulement et d'angle d'écoulement ont permis de mettre en évidence différentes transitions de régime. Quand la taille des particules d est grande par rapport à la taille du tambour D (rapport D/d faible), on constate que l'épaisseur de la zone d'écoulement sature à environ 1/3 du rayon du tambour. Dans ce cas, une augmentation de la vitesse de rotation du tambour est accommodée par une augmentation du gradient de vitesse. Dans des systèmes à rapport D/d élevé, on constate que c'est la vitesse maximale des particules à la surface libre qui sature avant l'épaisseur en écoulement. Dans ces conditions, une augmentation de la vitesse de rotation du tambour est accommodée par une augmentation de l'épaisseur, ce qui entraîne une réduction du gradient de vitesse. Ainsi les limites du domaine de validité d'un gradient de vitesse constant ont été définies : la relation est valable tant que ni l'épaisseur en écoulement ni la vitesse maximale des particules ne saturent. Enfin, dans une dernière partie, des expériences de ségrégation ont été réalisées dans le but de mettre en rapport les épaisseurs en écoulement et les vitesses de ségrégation de grosses billes de verre placées dans un milieu de petites billes de même densité.
1:  LSGC - Laboratoire des Sciences du Génie Chimique
Tambour tournant – Solides divisés – Ecoulements granulaires – Lois d'échelle – Avalanches – Agents d'écoulement – Ségrégation

Flow of granular material in rotating drums
The rheology of granular flows is the subject of many experimental and theoretical works. Previous studies of granular flows performed in rotating drums have shown that the velocity gradient in the free flowing zone is constant. We have experimentally tested the validity of this expression of the velocity gradient, for wider ranges of operation parameters that the ones that were used by now. For low rotation speed of the drum, we have shown that angles of avalanches and angles of repose could be geometrically similar if the particles used have size distribution or morphology that can be compared. At larger rotation speed, systematic measurements of flowing thickness and inclinations of the free surface showed different regime transitions. When the diameter d of the particles is large compared to the diameter D of the drum (small D/d ratio), the flowing thickness is constant and equals 1/3 of the drum radius. In that case, an increase of the drum rotation speed is accommodated by an increase of the velocity gradient. For high D/d ratio, the maximum velocity of the particles at the free surface first saturates. Consequently, an increase of the rotation speed is accommodated by an increase of the flowing thickness, thus, the velocity gradient decreases. This work has defined the limits of the field where a constant velocity gradient applies : neither the thickness of the flowing zone nor the maximum velocity of the particles flowing at the free surface should saturate. In a last part, segregation experiments were performed in order to make the link between flowing thickness and segregation of large glass beads in a small glass beads media.
Rotating drum – Granular materials – Granular flow – Scaling laws – Avalanches – Glidants – Ségrégation

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