Dynamics and instabilities of interfaces or free surfaces within a non-Brownian suspension
Dynamique et instabilités des interfaces grains/fluide dans les suspensions non-Browniennes
Résumé
Since the first works of Einstein in 1906, many studies have focussed on the behaviour of granular suspensions, in particular on their rheology. However, the dynamical properties of interfaces or free-surfaces within or bounding such suspensions are quite unknown and are the subject of the present work.
We propose to investigate the properties of such interfaces by injecting a pure fluid into an isodense granular suspension, whose grain fraction is systematically varied. The suspension is confined in a Hele-Shaw cell and either air or the pure suspending fluid can be injected.
For grain fractions below 50%, air injection yields patterns that are visually identical to Saffman-Taylor viscous fingering. However, the width selection and the stability of the fingers are modified and we demonstrate that these modifications do not follow from considering
the suspension as a homogeneous fluid with renormalized viscosity.
For higher grain fractions, the media becomes partially jammed due to contacts between the grains and we obtain a weakly consolidated porous media. There are then two mechanisms of flow of the pure fluids: through the fixed granular structure or by mobilising this structure.
For air injection, localized rearrangements lead to narrow air fingers whose width remains larger than the pore size. For the injection of suspending fluid, a more global mobilisation is observed leading to homogenous decompaction of the media and larger fingering structures.
We propose to investigate the properties of such interfaces by injecting a pure fluid into an isodense granular suspension, whose grain fraction is systematically varied. The suspension is confined in a Hele-Shaw cell and either air or the pure suspending fluid can be injected.
For grain fractions below 50%, air injection yields patterns that are visually identical to Saffman-Taylor viscous fingering. However, the width selection and the stability of the fingers are modified and we demonstrate that these modifications do not follow from considering
the suspension as a homogeneous fluid with renormalized viscosity.
For higher grain fractions, the media becomes partially jammed due to contacts between the grains and we obtain a weakly consolidated porous media. There are then two mechanisms of flow of the pure fluids: through the fixed granular structure or by mobilising this structure.
For air injection, localized rearrangements lead to narrow air fingers whose width remains larger than the pore size. For the injection of suspending fluid, a more global mobilisation is observed leading to homogenous decompaction of the media and larger fingering structures.
Depuis les premiers travaux d'Einstein en 1906, le comportement des suspensions granulaires macroscopiques a fait l'objet de nombreuses études notamment en rhéologie. Cependant, la question des mécanismes susceptibles d'intervenir aux interfaces de ces suspensions reste ouverte et peu abordée. C'est précisément l'objet de cette thèse.
Nous proposons de sonder les propriétés d'une interface grains/fluide en injectant un fluide dans une suspension granulaire isodense dont nous contrôlons la fraction de grains. Cette suspension est confinée dans une cellule de Hele-Shaw et nous pouvons injecter soit de l'air soit du fluide interstitiel pur.
Pour les fractions de grains inférieures à 50%, l'injection d'air s'apparente à la digitation de Saffman-Taylor. Nous montrons que le mode de sélection des largeurs relatives et la stabilité des doigts sont modifiés par la présence des grains et que ces modifications ne peuvent se réduire à la simple considération d'un fluide effectif.
Pour les fractions plus importantes, des phénomènes de blocage liés au réseau des contacts entre grains apparaissent et nous nous trouvons dans le cas d'un milieu poreux réorganisable. L'écoulement de fluide peut alors se faire de deux façons : soit au travers de la structure granulaire restée fixe, soit en mobilisant en partie cette structure.
Dans le cas de l'injection d'air, des réarrangements localisés permettent d'obtenir des structures dont la taille dépasse celle des pores mais reste fine. Dans le cas de l'injection de fluide interstitiel pur, une mobilisation plus globale est observée qui mène à une décompaction homogène du milieu et à des structures de digitation plus larges.
Nous proposons de sonder les propriétés d'une interface grains/fluide en injectant un fluide dans une suspension granulaire isodense dont nous contrôlons la fraction de grains. Cette suspension est confinée dans une cellule de Hele-Shaw et nous pouvons injecter soit de l'air soit du fluide interstitiel pur.
Pour les fractions de grains inférieures à 50%, l'injection d'air s'apparente à la digitation de Saffman-Taylor. Nous montrons que le mode de sélection des largeurs relatives et la stabilité des doigts sont modifiés par la présence des grains et que ces modifications ne peuvent se réduire à la simple considération d'un fluide effectif.
Pour les fractions plus importantes, des phénomènes de blocage liés au réseau des contacts entre grains apparaissent et nous nous trouvons dans le cas d'un milieu poreux réorganisable. L'écoulement de fluide peut alors se faire de deux façons : soit au travers de la structure granulaire restée fixe, soit en mobilisant en partie cette structure.
Dans le cas de l'injection d'air, des réarrangements localisés permettent d'obtenir des structures dont la taille dépasse celle des pores mais reste fine. Dans le cas de l'injection de fluide interstitiel pur, une mobilisation plus globale est observée qui mène à une décompaction homogène du milieu et à des structures de digitation plus larges.
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