instabilities in granular flows
instabilités dans les écoulements granulaires
Résumé
In spite of their importance in many industrials and geophysical processes, granular flows are still not completely understood. In this thesis, we study two instabilities that occur when a granular material is flowing under gravity down a rough inclined plane. We first study a new instability observed for rapid and dilute flows, when the plane is strongly inclined. This instability correspond to the spontaneous formation of longitudinal vortices in the flow. From the experimental measurements, we propose an instability mechanism based on the concept of "granular temperature". This mechanism is then validated by a stability analysis in the framework of the kinetic theory of granular flows. The second instability we have studied appears in the dense flow regime. In a given range of parameters, we observe the formation of long surface waves that propagate downstream. We have precisely studied the formation of these surface waves by forcing the instability, in the spirit of open flows stability experiments in fluid mechanics. The results are then compared with a depth-averaged approach. This study shows that the properties of the "classical" long surface waves instability may be deeply modified by the rheology of dense granular flows.
Bien qu'intervenant dans de nombreuses situations industrielles et géophysiques, les écoulements granulaires sont aujourd'hui encore mal compris. Dans cette thèse, nous étudions deux instabilités qui apparaissent lorsque l'on fait couler un milieu granulaire par gravité sur un plan incliné rugueux. Nous avons tout d'abord étudié une nouvelle instabilité observée dans le régime d'écoulement rapide et dilué, lorsque le plan est fortement incliné. Cette instabilité se manifeste par l'apparition spontanée de vortex longitudinaux au sein de l'écoulement. A partir de mesures expérimentales, nous proposons un mécanisme d'instabilité qui fait appel au concept de "température granulaire". Ce mécanisme est ensuite validé par une analyse de stabilité dans le cadre de la théorie cinétique des milieux granulaires. La deuxième instabilité que nous avons étudiée apparaît dans le régime d'écoulement dense. Dans certains cas, on observe la formation de vagues de grande longueur d'onde qui se propagent dans la direction de l'écoulement. Nous avons étudié expérimentalement la formation de ces ondes de surface en forçant l'instabilité, dans l'esprit des expériences sur les systèmes ouverts en mécanique des fluides. Les résultats sont ensuite confrontés à une approche moyennée dans l'épaisseur. Cette étude montre que les propriétés de l'instabilité "classique" en ondes de surface peuvent être profondément modifiées par la rhéologie des écoulements granulaires denses.
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