Cette thèse, composée de deux parties, porte sur l'étude d'instabilités au sein d'un milieu granulaire.
La première partie de cette thèse est consacrée à l'instabilité de tôle ondulée, c'est-à-dire l'apparition d'un motif de rides sur une piste soumise au passage répété de véhicules. Nos travaux expérimentaux ainsi que des simulations numériques de dynamique moléculaire nous ont permis de progresser dans la compréhension de ce phénomène. Pour une roue rigide tirée à vitesse constante, nous avons étudié quantitativement l'impact de la cohésion du milieu granulaire sur les caractéristiques de l'instabilité : vitesse critique, longueur d'onde et taux de croissance. Nous avons de plus entrepris des études préliminaires sur un fluide à seuil simple : un microgel de carbopol.
Dans la seconde partie, nous étudions la ségrégation granulaire au sein des astéroïdes lâches. Plusieurs indices montrent qu'un grand nombre d'entre eux sont des empilements de grains, sans cohésion interne et liés par la gravité. Leur répartition n'est pas homogène, avec des zones lisses recouvertes de fines poussières et d'autres où s'accumulent les gros blocs. Nous avons simulé numériquement un empilement granulaire sphérique et nous l'avons soumis à des secousses répétées : nous avons réussi à reproduire la ségrégation. Nous avons étudié l'influence des paramètres physiques et numériques sur le niveau de ségrégation et la dynamique du phénomène. Nous nous sommes de plus intéressés aux phénomènes physiques pouvant causer la ségrégation : convection granulaire, tamisage cinétique, pression de déplétion, etc. Enfin, nous avons mis en évidence une instabilité azimutale secondaire, qui peut expliquer les observations faites pendant les missions spatiales.
Instabilities in a granular material: washboard road on a sand bed, and segregation into rubble-pile asteroids.
This thesis, consisting of two parts, focuses on instabilities in a granular assembly.
The first part deals with the washboard road instability, which is the growth of a ripple pattern on a track subjected to repeated passages of vehicles. Our experimental work as well as soft-sphere numerical simulations provide a better understanding of this phenomenon. In the case of a rigid wheel dragged at constant velocity, we quantitatively studied the impact of the cohesion within the granular media on the main features of the instability: critical velocity, wavelength and growth rates. Finally, we have begun preliminary studies on a yield-stress fluids, namely a carbopol microgel.
The second part is devoted to the granular segregation in asteroids. Several clues indicates that a significant part of them are rubble-piles, i.e. without internal cohesion and held together by their weak self-gravity. The distribution of grains is heterogeneous: while some regions consist in fine sand or powder, large boulders seem to accumulate in other parts. We numerically simulated a spherical granular pile and subjected it to repeated quakes: we managed to reproduce segregation. We studied the influence of physical and numerical parameters on the segregation level and the dynamics of the phenomenon. We also investigate various causes for the segregation: granular convection, kinetic sieving, depletion pressure, etc. Finally, we discovered a secondary azimuthal segregation which might explain observations during spatial missions.
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