Gravity-driven granular flows

This dissertation reports experimental and numerical results on dense, dry granular flows in an inclined channel. We describe the molecular dynamics method for soft spheres as well as the particle tracking and gamma-densitometry techniques. Experimental results on 2D flows are then presented. We focus on crystal ordering of a monodisperse medium within the flow, the velocity and packing fraction profiles and the structure of a propagating front of grains. Numerical and experimental results on super stable heaps are presented and the crucial role played by side-wall friction is pointed out. The growth of such a heap is also studied which gives insights into the erosion and accretion phenomena. Velocity, packing fraction and rotation speed profiles are investigated through numerical simulations. The major influence of side-wall friction on the properties of the flow is confirmed by the simulations. Finally, we study a regime in which a dense plug flow rides atop a basal, sheared, dilute and agitated layer. It is shown that the basal layer does not lead to any lubrication of the flow and that it does not seem to explain the mobility of the so-called long-runout avalanches. The low values of the apparent friction coe fficient of voluminous landslides can be numerically reproduced through simulations of dry and dense granular flows.Cet exposé présente des résultats expérimentaux et numériques sur les écoulements denses de matériaux granulaires secs dans un canal. Nous détaillons la méthode de dynamique moléculaire de sphère molles et les techniques expérimentales de suivi des particules et de densimétrie-gamma. Les résultats expérimentaux issus d'un système bidimensionnel sont ensuite présentés. Nous étudions en particulier la cristallisation d'une assemblée monodisperse au sein de l'écoulement, les profils de vitesse et compacité ainsi que la structure du front d'avalanche. Les empilements à stabilité dynamique (ou Super Stable Heaps) sont ensuite étudiés aussi bien expérimentalement que numériquement. Le rôle prépondérant du frottement aux parois latérales est mis en évidence. Nous nous intéressons également à la croissance d'un tel empilement, c'est-à-dire aux problématiques d'érosion et d'accrétion. Les profils de vitesse, compacité, vitesse de rotation etc sont étudiés par simulations numériques. Les simulations confirment également l'influence majeure du frottement aux parois latérales sur les propriétés de l'écoulement. Enfin nous étudions un régime d'écoulement rapide dans lequel une zone dense s'écoule en bloc sur une couche basale cisaillée, diluée et agitée. Nous montrons que ce régime d'écoulement ne semble pas expliquer les avalanches dites "à longue portée". De plus, nos simulation reproduisent l'apparente lubrification des écoulements géophysiques très volumineux pour des écoulements granulaires secs et partout denses