Passage d'air à travers un milieu granulaire immergé - dynamique en surface et en volume

When air is injected at the bottom of an immersed granular layer, it crosses the system by percolating or fracturing. It thus forms several paths that reach the free surface of the layer at different locations. In this thesis, we study this process experimentally (for a three and two dimensional setup), numerically and theoretically. First, we focus on the dynamics of the air invading the medium at short and long time scale, when injecting a continuous air flow. At long time, the typical size of the region explored by the air can be accounted for by a diffusion-like process [1]. We also investigate the effect of gravity by tilting the experimental cell. We contrast the results with numerical simulations for the injection of a fixed volume of air, and characterize the morphology of the invasion zone. We show that the typical height and width of the region explored by the air does not depend on the injected volume only, but also on a dimensionless parameter χ which accounts for the relative effects of the gravity and capillarity [2]. Finally, when increasing the water height above the granular layer, successive grain advection and deposition form a crater consisting of two dunes growing and moving apart one from the other. We observe that the typical size of the crater increases logarithmically with time, independently of the gas emission process [3].References -[1] G.Varas, V. Vidal and J.-C. Géminard, Phys. Rev. E. 83, 011302 (2011).[2] G.Varas, V. Vidal and J.-C. Géminard, Phys. Rev. E. 83, 061302 (2011).[3] G.Varas, V. Vidal and J.-C. Géminard, Phys. Rev. E. 79, 021301 (2009).Lorsque de l’air est injecté à la base d’une couche de grains immergée, il traverse le système par percolation ou fracturation. Il forme ainsi plusieurs chemins qui atteignent la surface libre de la couche à des endroits différents. Nous avons réalisé l’étude expérimentale de ce processus (configuration 2D et 3D), ainsi que son analyse numérique et théorique. Dans un premier temps, nous nous sommes concentrés sur la dynamique d’invasion de l’air dans le milieu, à temps court et à temps long, lors de l’injection d’un flux d’air continu. À temps long, la taille typique de la région explorée par l’air (zone fluidifiée) peut être expliquée par un processus diffusif [1]. Nous avons également étudié l’effet de la gravité, en inclinant la cellule expérimentale. La comparaison des résultats avec des simulations numériques pour l’injection d’un volume d’air fixé permet de caractériser la morphologie de la zone d’invasion. Nous montrons que la hauteur et la largeur typique de la région explorée par l’air ne dépend pas uniquement du volume injecté, mais peut s’exprimer en fonction d’un paramètre χ sans dimension qui représente les effets relatifs de la gravité et de la capillarité [2]. Nous présenterons quelques résultats préliminaires montrant la dynamique d’évolution de la zone fluidifiée en fonction des différentsparamètres. Enfin, lorsqu’on augmente la hauteur d’eau au-dessus de la couche granulaire, l’advection et le dépôt successif des grains forment un cratère, composé de deux dunes qui croissent et s’éloignent du centre. La taille typique du cratère augmente de façon logarithmique dans le temps, indépendamment du processus d’émission du gaz [3].Références -[1] G.Varas, V. Vidal and J.-C. Géminard, Phys. Rev. E. 83, 011302 (2011).[2] G.Varas, V. Vidal and J.-C. Géminard, Phys. Rev. E. 83, 061302 (2011).[3] G.Varas, V. Vidal and J.-C. Géminard, Phys. Rev. E. 79, 021301 (2009)