Des bulles de sable ou quand le sable se comporte comme un liquide

Une nouvelle étude montre comment deux types de sable peuvent se comporter comme des liquides légers et lourds. Cela permet de mieux comprendre les processus géologiques allant des coulées de boue aux volcans et permettant potentiellement de nouvelles technologies de la production pharmaceutique à la capture du carbone.


Développement d'une "bulle" de sable plus léger (bleu) se formant dans un sable plus lourd (blanc) - Crédit : Alex Penn/ETH Zurich
Développement d'une "bulle" de sable plus léger (bleu) se formant dans un sable plus lourd (blanc) - Crédit : Alex Penn/ETH Zurich

Le flux de matériaux granulaires, tels que le sable et les particules catalytiques utilisées dans les réacteurs chimiques, permet un large éventail de phénomènes naturels, des coulées de boue aux volcans, ainsi qu’un large éventail de processus industriels, de la production pharmaceutique au captage du carbone en passant par le traitement du .

Des bulles de sable

Bien que le mouvement et le mélange de la granulaire présentent souvent des similitudes frappantes avec les liquides, comme dans les dunes de sable en mouvement, les avalanches et les , la sous-jacente aux écoulements granulaires n’est pas aussi bien comprise que les écoulements liquides.

Développement d'une "bulle" de sable plus léger (bleu) se formant dans un sable plus lourd (blanc) - Crédit : Alex Penn/ETH Zurich

Développement d’une « bulle » de sable plus léger (bleu) se formant dans un sable plus lourd (blanc) – Crédit : Alex Penn/ETH Zurich

Une récente découverte de Chris Boyce, professeur adjoint en génie chimique à Columbia Engineering, explique une nouvelle famille d’instabilités gravitationnelles dans des particules granulaires de différentes densités, entraînées par un mécanisme de canalisation de non observé dans les fluides.

En collaboration avec le groupe du professeur Christoph Müller des sciences de l’énergie et de l’ingénierie à l’ETH de Zurich, l’équipe de Boyce a observé une instabilité inattendue ressemblant à celle de Rayleigh-Taylor (R-T) dans laquelle des grains plus légers montent sous l’effet de doigts et de bulles granuleuses.

L’interaction entre deux fluides différents

Les instabilités R-T, qui sont produites par les interactions de deux fluides de densités différentes qui ne se mélangent pas, huile et eau, par exemple, parce que le fluide le plus léger écarte le fluide plus lourd, n’ont pas été observés entre deux matériaux granulaires secs.

L’étude, publiée dans la revue PNAS, est la première à démontrer que des bulles de sable plus léger se forment et s’élevent dans un sable plus épais lorsque les deux types de sable sont soumis à des vibrations verticales et à un écoulement de gaz ascendant, similaires. aux bulles qui se forment et montent dans les lampes à lave.

Une nouvelle étude montre comment deux types de sable peuvent se comporter comme des liquides légers et lourds. Cela permet de mieux comprendre les processus géologiques allant des coulées de boue aux volcans et permettant potentiellement de nouvelles technologies de la production pharmaceutique à la capture du carbone.

Image by Pexels from Pixabay

L’équipe a constaté que, tout comme les bulles d’air et d’huile montent dans l’eau parce qu’elles sont plus légères que l’eau et ne veulent pas s’y mélanger, des bulles de sable léger s’élèvent dans un sable plus épais même si deux types de sable aiment se mélanger.

Une découverte importante dans la mécanique des fluides

Nous pensons que notre découverte est transformationnelle selon Boyce, nous avons trouvé un analogue granulaire de l’une des dernières grandes instabilités de la mécanique des fluides. Tandis que des analogues des autres instabilités majeures ont été découverts dans des écoulements granulaires au cours des dernières décennies, l’instabilité de la température ambiante a échappé à la comparaison directe.

Nos résultats pourraient non seulement expliquer les formations et les processus géologiques sous-jacents aux gisements minéraux, mais pourraient également être utilisés dans les technologies de traitement de la poudre dans les industries de l’énergie, de la construction et de la pharmacie.

Le groupe de Boyce a utilisé une modélisation expérimentale et informatique pour montrer que la canalisation de gaz à travers des particules plus légères déclenche la formation de motifs de doigts et de bulles. La canalisation de gaz se produit parce que les amas de particules plus légères et plus grosses ont une perméabilité à l’écoulement de gaz plus élevée que les grains plus lourds et plus petits.

L’instabilité de type R-T

L’instabilité de type R-T dans les matériaux granulaires provient d’une compétition entre la force de traînée ascendante augmentée localement par les forces de canalisation du gaz et les forces de contact vers le bas, mécanisme physique totalement différent de celui trouvé dans les liquides.

Ils ont constaté que ce mécanisme de canalisation de gaz génère également d’autres instabilités gravitationnelles, notamment la ramification en cascade d’une gouttelette granulaire descendante. Ils ont également démontré que l’instabilité de type R-T peut survenir dans une grande variété de conditions d’écoulement de gaz et de vibrations, formant différentes structures dans différentes conditions d’excitation.

Ces instabilités, qui peuvent être appliquées à une variété de systèmes, jettent un nouvel éclairage sur la dynamique granulaire et suggèrent de nouvelles possibilités de structuration au sein de mélanges granulaires pour former de nouveaux produits dans l’industrie pharmaceutique selon Boyce. Nous sommes particulièrement enthousiasmés par l’impact potentiel de nos découvertes sur les sciences géologiques. Ces instabilités peuvent nous aider à comprendre comment des structures se sont formées au cours de la longue histoire de la Terre et prévoir comment d’autres pourraient se former à l’avenir.

N'oubliez pas de voter pour cet article !
1 étoile2 étoiles3 étoiles4 étoiles5 étoiles (1 votes, average: 4,00 out of 5)
Loading...

Houssen Moshinaly

Rédacteur en chef d'Actualité Houssenia Writing. Rédacteur web depuis 2009 et vulgarisateur scientifique.

Je m'intéresse à tous les sujets scientifiques allant de l'Archéologie à la Zoologie. Je ne suis pas un expert, mais j'essaie d'apporter mes avis éclairés sur de nombreux sujets scientifiques.

Pour me contacter personnellement :

Laisser un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *