Behavior of horizontally vibrated granular media. Application to fuses manufacturing
Etude du comportement des milieux granulaires vibrés horizontalement. Application au remplissage des fusibles.
Résumé
This manuscript reports the results of an experimental study aiming to understand the convective patterns and compaction phenomenon in horizontally vibrated granular media. The granular material is a dry sand representative of no cohesive granular media. The conducted work have evidenced that, when a granular matter is submitted to horizontal vibrations with a fixed frequency and an increasing acceleration, it splits into an upper fluid-like zone and a bottom solid-like zone when the acceleration threshold of fluidization is reached. Two counter-rotated convection rolls, with thickness increasing with acceleration, are observed in the upper zone. A quantitative study, undertaken principally at a frequency of 50 Hz, was based on PIV technique in order to measure the grain displacement field at the container walls, and an optical profilometer technique to measure the mean packing density. The measurement of the grain displacement field allowed us to determine the convective rolls thickness “EF” evolution with the relative acceleration. The influence of different parameters was investigated. We found that the curve EF =f(Relative acceleration) is independent from initial packing density and height, and does not present any hysteresis. Concerning the packing density, we found that it increases with the acceleration, reaches a maximum and decreases afterward. The existence of this maximum is explained by the compensation of two contrary tendencies. In fact, a heterogeneous settling was observed during a transient regime and measured. It tends to compact the granular packing. On the contrary, the grains convective motion tends to dilate it. Finally, an experimental protocol was proposed to maximize the compacity and homogeneity of a granular packing. It has been the object of a patent registration by the industrial partner of this study.
Ce manuscrit de thèse présente les résultats d'une étude à caractère expérimental pour comprendre les mouvements convectifs et les phénomènes de densification dans les milieux granulaires en 3D vibrés horizontalement. Le milieu granulaire est un sable sec représentatif des milieux granulaires non cohésifs. Les travaux réalisés ont mis en évidence le fait que, quand un empilement granulaire est soumis à des vibrations horizontales à une fréquence fixe et une accélération croissante, il se ségrége en une couche supérieure à comportement fluide, lieu de deux rouleaux de convection contrarotatifs, et un bloc inférieur à comportement solide, à partir d'une accélération seuil définissant une transition vers la fluidisation. Une étude quantitative, menée principalement à une fréquence de 50 Hz, s'est basée sur une technique de type PIV pour mesurer le champ de déplacements des grains aux parois et une technique de profilométrie optique pour mesurer la compacité globale de l'empilement La mesure du champ de déplacements des grains a permis de déterminer l'évolution de l'épaisseur des rouleaux de convection, EF, avec l'accélération relative. L'influence de différents paramètres a été étudiée. La courbe EF =f(Accélération relative) est indépendante de la compacité initiale, de la hauteur initiale, dans une certaine mesure, et ne présente pas d'hystérésis. Quant à la compacité globale dynamique de l'empilement, elle augmente avec l'accélération, passe par un maximum et diminue par la suite. L'obtention de ce maximum est due à la compensation de deux tendances contraires. En effet, un affaissement, hétérogène en hauteur, a été observé et mesuré au cours d'un régime transitoire. Ce phénomène tend à densifier l'empilement. Au contraire, les mouvements convectifs, de plus en plus rapides, des grains pendant le régime stationnaire tendent à dilater l'empilement. In Fine, un protocole expérimental visant à optimiser la compacité et l'homogénéité d'un empilement granulaire a été proposé au partenaire industriel de cette étude (Ferraz-Shawmut). Il fait l'objet d'un dépôt de brevet.