WO2016096976A1 - Dispositif de mesure des contraintes basales d'un ecoulement granulaire - Google Patents

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WO2016096976A1
WO2016096976A1 PCT/EP2015/079978 EP2015079978W WO2016096976A1 WO 2016096976 A1 WO2016096976 A1 WO 2016096976A1 EP 2015079978 W EP2015079978 W EP 2015079978W WO 2016096976 A1 WO2016096976 A1 WO 2016096976A1
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WO
WIPO (PCT)
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flow
plate
measuring
particles
stresses
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/079978
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English (en)
Inventor
Olivier Roche
Thierry LATCHIMY
Jean-Louis FRUQUIERE
Martial BONTEMPS
Christophe Bernard
Original Assignee
Institut Recherche Pour Le Developpement
Universite Blaise Pascal-Clermont Ii
Centre National De La Recherche Scientifique
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Filing date
Publication date
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N11/00—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties
    • G01N11/02—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties by measuring flow of the material

Definitions

  • the present invention relates to a device for measuring the mechanical stresses generated by flowing particles. It also relates to a method of measuring forces and coefficient of friction of such a flow.
  • the present invention is in the field of physical measurements associated with pyroclastic flows, and more particularly the field of measurement of mechanical stresses produced by analogous granular flows made in the laboratory.
  • experimental devices are known by which the tangential and normal components of the forces applied by the flow on the substrate are measured at different locations of said substrate.
  • These devices use on the one hand load sensors that measure the normal component of the basal stress and on the other hand shear gauges that measure the tangential component of the basal stress.
  • the disadvantage of these devices lies in the fact that the dynamics of a granular flow is likely to vary both in space and in time: the measurements made by such devices can not be used to determine a coefficient of friction only under certain conditions and taking certain precautions. Indeed, it is necessary that the measurements of the normal and tangential components are spatially and temporally correlated in order to be able to make the report and determine the corresponding coefficient of friction.
  • sensors often have a detectability threshold relatively high, which does not allow measurements in fine flows (of the order of a centimeter) at the laboratory scale.
  • Another object of the invention is to better know the mechanical forces generated by granular flows on the substrate.
  • Another object of the invention is to measure the coefficient of friction of the granular flow.
  • Another object of the invention is to provide a device for measuring basal stresses that is more precise and adapted to fine granular flows.
  • At least one of the above-mentioned objectives is achieved with a device for measuring the basal stresses of a particle flow, said device comprising (i) a first plate, called a flow plate, on the surface of which the particles flow, said flow plate having an opening, so-called measurement, on the flow surface, and (ii) a second so-called measuring plate disposed at the measurement opening and parallel to the flow plate, and whose lateral dimensions are all smaller than those of the measurement opening.
  • the measuring device according to the invention further comprises at least one sensor placed under said measuring plate and able to simultaneously measure the normal component and at least one of the transverse and / or longitudinal components of a force acting on the measuring plate .
  • the direction along the main direction of the flow is qualified by the adjective "longitudinal", the perpendicular direction in the flow plane of said particles being qualified by the adjective “transverse”.
  • the adjective "normal” corresponds to the direction perpendicular to the flow surface and extending beyond or below said surface.
  • the measuring device makes it possible to measure the ratio between the longitudinal stresses and the normal stresses and thus, ultimately, the coefficient of friction of the granular flow.
  • the simultaneous measurement at the same given point of the normal and tangential components of the forces generated by the flow on the measuring plate makes it possible to know the ratio between the shear stress (obtained by measuring the tangential components of the forces exerted on the measuring plate) and the normal stress (obtained by measuring the normal component of the forces exerted on the measuring plate) and ultimately determining the coefficient of friction by the said mechanical measurements rather than by estimating the normal stress for example.
  • the estimation of the normal stress to determine the coefficient of friction is, under certain conditions, very approximate and leads to uncertainties or sometimes high errors on the value of the coefficient of friction calculated. This is particularly the case when one seeks to study the fine granular flows, for which it is not easy to know the volume fraction of said particles which participate in the force exerted on the measuring plate, thus leading to an uncertainty particularly high measurement.
  • load sensors measure the normal component of the stress while shear gauges can measure the tangential component.
  • the measuring device according to the invention also makes it possible to better understand the mechanical forces generated by granular flows on the substrate because the forces applied by the granular flow on the substrate are measured simultaneously and along several axes of projection, thus allowing to better account for the underlying physics.
  • the measuring device according to the invention is more precise and adapted to fine granular flows because it allows in a new and novel way up to now to measure with the aid of suitable means the tangential and normal components of the forces generated during a fine granular flow of the type of those made in the laboratory.
  • the device according to the invention can implement tri-axis piezoelectric sensors that measure the three components of a force applied to their contact surface. They are thus able to measure at a given point and in a synchronous way the normal component and the two tangential components of the basal stress
  • the devices used have a detection threshold of the order of a hundredth of a Newton to precisely measure fine granular flows whose thicknesses are of the order of a centimeter.
  • the device according to the invention comprises a plurality of sensors measuring simultaneously simultaneously the different components of the forces applied to the measuring plate and synchronously between them.
  • the sensors deliver a simultaneous information of the normal and tangential and / or longitudinal components of said forces, at different points of the measuring plate so as to be able to achieve averaging and thus reduce the noise level and / or or uncertainties about the measurements thus made.
  • the use of a plurality of sensors also makes it possible to better stabilize the measuring plate during said flow.
  • the measuring plate constitutes a channel within which the particles flow without being able to overflow laterally. Subsequently, the term "flow plate" will describe both a planar support or a flow channel.
  • the device according to the invention consists of a measuring plate independent of the flow plate; the at least one sensor supporting on the one hand the measuring plate and being connected on the other hand to the flow plate.
  • the flow plate is perforated in a shape similar to that of the measuring plate, and whose dimensions are derived from a homothetic expansion of the dimensions of the measuring plate, so that it can be inserted without contact in the center of the empty space thus created.
  • a space of the order of 100 ⁇ m may be left between the measuring plate and the flow plate.
  • the measuring plate can be inserted between two non-contiguous flow plates and aligned longitudinally.
  • the flow plate may have a non-uniform roughness using, for example, pellets and / or particles bonded to its surface, in order to represent non-uniform, non-homogeneous and more varied flow conditions.
  • the device according to the invention may further comprise means forming obstacles to the flow of particles, said means being fixed on the flow plate.
  • the device according to the invention may further comprise data processing means able to determine a mechanical stress and a coefficient of friction from the measurements made of the flow of said particles on said measuring plate.
  • processing means can take any form; it may include a computer.
  • the flow plate may be inclined longitudinally to allow granular flow under the sole effect of gravity on the particles.
  • the angle of inclination can be variable between 0 ° (horizontal) and 90 ° (vertical) to generate non-permanent flows, deceleration (low slope) or acceleration (steep slope).
  • the device may also include means for precisely adjusting said angle of rotation, such as a system of threaded rods and / or motorization means, for example.
  • the angle of inclination of the flow plate may vary during the experiment, that is to say during the fall of said particles.
  • the free space between the measuring plate and the flow plate of the device according to the invention may be smaller than the dimensions of the particles in flow in order to prevent them from sliding between the plate of measurement and the flow plate on the one hand, and prevent them from opposing the mobility of the measuring plate with respect to the flow plate, under the effect of said flow and the forces produced on the measuring plate.
  • This particular arrangement also makes it possible not to use a seal between the measuring plate and the flow plate, whose rigidity could distort the measurements made.
  • a seal between the measuring plate and the flow plate whose mechanical characteristics - in particular the hardness - are such that the rigidity of the seal is lower or equal to the stiffness constant of the measuring means capable of measuring at least one transverse and / or longitudinal component of the force experienced by the measuring plate.
  • the rigidity of said seal is negligible compared with that of said measuring means.
  • a first rigidity at least ten times lower than a second rigidity is negligible in front of the second.
  • the device may further comprise at least one connecting means connecting the measuring plate to the flow plate in order to constrain certain degrees of freedom of said measuring plate and to guide it according to certain well defined degrees.
  • This advantageous configuration can make the device more robust and more solid depending on the type of flow implemented and the forces exerted on said measuring plate.
  • a degree of freedom - that is to say a movement - is blocked by such a connecting means if the rigidity associated with this movement is large compared to the forces involved.
  • a degree of freedom is allowed by such a connecting means if the rigidity associated with this movement is low in front of the efforts involved.
  • a connecting means can be defined by six characteristic rigidities of three “unitary” rotations and three “unitary” translations.
  • the connecting means may for example allow both rotations of the measuring plate around the longitudinal and transverse axes and the translation along the normal axis, and constrain the rotation along the normal axis and as the translations along the longitudinal and transverse axes.
  • connection means can also be used to "filter” parasitic movements that would disturb the baseline stress measurements and / or select a certain type of forces in order to perform more specific measurements.
  • the connecting means may take any form known to those skilled in the art. By way of nonlimiting example, they may consist of independent connection means and arranged and fixed between the measuring plate and the flow plate. They may in particular consist of flexible elements whose mechanical characteristics are such that the rigidities are sized to allow a certain type of movement.
  • the measuring plate and the flow plate can be obtained using a one-piece structure, the flexible connection means being dimensioned and machined directly on the flow plate. in order to delimit the measuring plate and to allow certain desired movements.
  • the at least one connecting means may have at least one longitudinal and / or transverse rigidity (s) negligible (s) before the forces measured by said device so as not to disturb the force measurement.
  • the device may furthermore comprise at least one reservoir capable of containing said flow particles and situated at a first end of the flow plate in order to generate a flow whose overall volume is predetermined.
  • the at least one reservoir may further comprise a controlled opening means for generating a granular flow whose thickness and flow velocity are controlled.
  • the at least one tank may be located in height relative to the flow plate, so that the particles flow on the flow plate under the effect of gravity.
  • the device further comprises a receptacle disposed at the end of the flow plate opposite that where the reservoir is located and / or at the lower side of the slope.
  • the receptacle is arranged to receive particles that flow on the flow plate and arrive at its end.
  • the measuring means may have a bandwidth greater than the kilohertz in order to measure rapid variations in the basal stress generated by the flow and to characterize more precisely said flow.
  • the measuring means may be a piezoelectric sensor.
  • a method for measuring the basal stresses of a particle flow using a device according to the invention comprising at least one of the following iterations: (i) tripping controlled opening means, (ii) flow of particles on the flow plate, (iii) measurement of the forces exerted on the measuring plate during flow.
  • the measurement method may further comprise a subsequent step of data acquisition and / or calculation of the mechanical stresses and / or the coefficient of friction from the force measurements.
  • FIG. 1 illustrates a schematic diagram of the device for measuring the basal stresses of a granular flow, according to the preferred embodiment of the invention
  • FIG. 2 illustrates a top view of the cooperation between the measuring plate and the measuring means on the one hand, and the flow plate on the other.
  • FIG. 3 illustrates static measurements obtained with a device according to the invention.
  • FIG. 4 illustrates dynamic measurements obtained with a device according to the invention.
  • the embodiments which will be described hereinafter are in no way limiting; it will be possible to imagine variants of the invention comprising only a selection of characteristics described hereinafter isolated from the other characteristics described, if this selection of characteristics is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention compared to the state of the art.
  • This selection comprises at least one feature preferably functional without structural details, or with only a part of the structural details if this part alone is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention from the state of the prior art.
  • all the variants and all the embodiments described are combinable with each other if nothing stands in the way of this combination at the technical level.
  • FIGURE 1 describes a device 100 for measuring the basal stresses of a granular flow according to the invention. It comprises (i) a flow plate 101 - preferably inclined - on which particles 112 are spread, (ii) a measuring plate 102 on which are fixed (iii) at least one force sensor 150.
  • a mechanical construct 110 -111 supports all the different components listed above.
  • a granular flow propagates along the flow plate 101 and generates forces on the measuring plate 102. Due to the non-infinite rigidity of the sensors forces 150 disposed under the measuring plate 102, these forces generate a deformation of the force sensors 150 proportional to their rigidity.
  • two sensors 150a and 150b are arranged under the measuring plate 102 to ensure its stability during the granular flow.
  • the invention is not limited to this embodiment and includes all configurations comprising at least one force sensor fixed under said measuring plate.
  • the base of the sensors is fixed on a lower plate 103 which is connected directly or indirectly to the structure of the device.
  • the lower plate 130 can be connected by connecting means 104-105 to the flow plate 101. It is however important that the mechanical connection chain between the base of the force sensors and the flow plate is rigid in front of the forces generated by the granular flow so as not to introduce an error in the measurement of force.
  • the particles are disposed in a reservoir 106 preferably located in height relative to the flow plate 101.
  • the particles 109 flow from said reservoir on the flow plate 101 under the effect of their weight and gravity.
  • projection means for propelling said particles onto the flow ramp with a non-zero initial velocity, the simplest configuration being a reservoir situated above the flow plate.
  • the tank 106 may also comprise a door 107 whose opening can be controlled and / or motorized, in order to generate a granular flow 112 whose thickness can be controlled.
  • the measuring plate 102 is located at the level of the flow plate 101, if possible coplanarly, at least as parallel as possible. In order not to prevent the measuring plate 102 from moving under the effect of the forces generated by the granular flow 112, it is important that said measuring plate 102 be able to move freely and without obstacles.
  • the free space 200 between the measuring plate 102 and the flow plate 101 must be smaller than the particle size of the flow plate 101. the flow so that they do not slip into this gap 201 and block said measuring plate 102.
  • the dimensions of the gap 201 separating the measuring plate 102 from the flow plate 101 are included in the range 100 pm - 150 pm.
  • the position of the measuring plate 102 along the longitudinal axis of the flow plate 101 may vary depending on the desired effects.
  • the number of measuring plates 102 and the number of measuring means 150 associated can vary.
  • a device 100 according to the invention is shown with a measuring plate 102 and two force sensors 150a and 150b.
  • the invention also covers other sensor configurations 150 fixed under the measuring plate 102; and / or a plurality of measuring plates 102 cooperating with a flow plate 101.
  • FIG. 3 illustrates the results of static measurements obtained with a device 100 for measuring the basal stresses according to the invention.
  • FIG. 4 illustrates the results of dynamic measurements obtained with a device 100 for measuring the basal stresses according to the invention.
  • a second series of dynamic measurements was also performed by performing steady state flows on a flow plate 101 inclined at about 25 °.
  • the normal (F z ), tangential (F x ) and longitudinal (F y ) forces are recorded during said flow, and the stress (F x / F z ) is calculated in real time.
  • the measurements showed a slight bending of the flow plate 101 under the effect of the weight of the particles 112 during their passage, followed by a relaxation when said particles 112 are evacuated.
  • the device 100 Due to the high rigidity of the force sensors 150 and their very low detection threshold, the measurements are biased when the system uses two sensors because the prestressing exerted on each sensor is not the same before and after the experiment. For this reason, the device 100 preferably uses a single sensor provided that the measuring plate is stable during the flow (which is the case in the example shown). The device with a sensor according to the invention now makes it possible to accurately measure the basal stresses generated by granular flows.

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif de mesure (100) des contraintes basales d'un écoulement de particules (109), ledit dispositif comprenant (i) une plaque d'écoulement (101) à la surface de laquelle s'écoulent les particules (112), ladite plaque d'écoulement (101) présentant une ouverture de mesure (200) sur la surface d'écoulement (130), (ii) une plaque de mesure (102) disposée au niveau de l'ouverture de mesure (200) et parallèlement à la plaque d'écoulement (101), et dont les dimensions latérales sont toutes inférieures à celles de l'ouverture de mesure (200). Le dispositif (100) selon l'invention comprend en outre au moins un moyen de mesure (150) placé sous la plaque de mesure (102) et apte à mesurer de manière synchrone au moins une des composantes transversales et/ou longitudinales d'une force agissant sur la plaque de mesure (102). L'invention porte aussi sur un procédé de mesure des contraintes basales à l'aide d'un tel dispositif (100).

Description

« Dispositif de mesure des contraintes basales d'un écoulement granulaire »
Domaine technique
La présente invention concerne un dispositif de mesure des contraintes mécaniques générées par des particules en écoulement. Elle concerne aussi un procédé de mesure de forces et de coefficient de friction d'un tel écoulement.
La présente invention se situe dans le domaine des mesures physiques associées aux écoulements pyroclastiques, et plus particulièrement le domaine de la mesure des contraintes mécaniques produites par des écoulements granulaires analogues réalisés en laboratoire.
Etat de la technique antérieure
Lorsqu'un écoulement granulaire se propage le long d'un plan incliné sous l'effet de la gravité, son poids génère une contrainte basale sur le substrat sous-jacent. Si on considère un écoulement unidirectionnel, la contrainte basale possède une composante normale et une composante tangentielle au plan d'écoulement. Le coefficient de friction, obtenu par le rapport entre ces deux composantes, est un paramètre fondamental de la dynamique d'un écoulement granulaire car il rend compte de l'énergie dissipée par interaction entre l'écoulement et son substrat : il traduit donc la capacité d'un écoulement granulaire à se propager. Il constitue aussi un paramètre d'entrée essentiel pour des modèles numériques d'écoulements granulaires. Ces derniers ont pour objectif de simuler de tels écoulements dans des environnements géophysiques ou industriels variés. Dans ce contexte, une bonne connaissance du coefficient de friction est essentielle pour développer des modèles fiables.
On connaît notamment les documents de O. Roche, « Depositional processes and gas pore pressure in pyroclastic flows: an expérimental perspective », Bull Volcanol (2012) 74 : 1807-1820 et O. Roche et al ., « Pore fluid pressure and internai kinematics of gravitational laboratory air- particle flows : insights into the emplacement dynamics of pyroclastic flows », Journal of Geophysical Research, vol. 115, B09206, dans lesquels des mesures de pression de l'air interstitiel sont réalisées à différents endroits de la base d'un chenal dans lequel se propage un écoulement granulaire, dans le but de caractériser à la fois la topologie de l'écoulement granulaire et la diffusion de la pression dans l'écoulement. Ces dispositifs ne permettent pas de mesurer les contraintes granulaires.
On connaît aussi des dispositifs de mesure des contraintes basales d'écoulement granulaires fins sur lesquels seule la composante tangentielle de la force produite par l'écoulement sur le substrat est mesurée à l'aide de jauges de cisaillement par exemple ; la composante normale n'est pas mesurée au même moment et au même endroit. En effet, pour des écoulements granulaires fins, la contrainte normale est souvent estimée à partir de l'épaisseur des écoulements et nécessite de faire une hypothèse sur la densité de l'écoulement. L'inconvénient de ces méthodes et dispositifs connus réside dans l'erreur sur l'estimation de la contrainte normale du fait de la méconnaissance du volume effectif de particules étant à l'origine de ladite force.
On connaît enfin des dispositifs expérimentaux par lesquels les composantes tangentielles et normales des forces appliquées par l'écoulement sur le substrat sont mesurées à différents endroits dudit substrat. Ces dispositifs mettent en œuvre d'une part des capteurs de charge qui mesurent la composante normale de la contrainte basale et d'autre part des jauges de cisaillement qui mesurent la composante tangentielle de la contrainte basale. L'inconvénient de ces dispositifs réside dans le fait que la dynamique d'un écoulement granulaire est susceptible de varier à la fois dans l'espace et dans le temps : les mesures réalisées par de tels dispositifs ne peuvent être exploitées pour déterminer un coefficient de friction que sous certaines conditions et en prenant certaines précautions. En effet, il est nécessaire que les mesures des composantes normales et tangentielles soient spatialement et temporellement corrélées afin de pouvoir en faire le rapport et déterminer le coefficient de friction correspondant. De plus, les capteurs ont souvent un seuil de détectabilité relativement élevé, ce qui ne permet pas de faire des mesures dans des écoulements fins (de l'ordre du centimètre) à l'échelle du laboratoire.
On ne connaît pas de dispositif permettant de mesurer en même temps et en un point donné les composantes normale et tangentielle de la contrainte basale d'un écoulement granulaire.
La présente invention a pour objet de répondre au moins en grande partie aux problèmes précédents et de conduire en outre à d'autres avantages.
Un autre but de l'invention est de mieux connaître les efforts mécaniques générés par des écoulements granulaires sur le substrat. Un autre but de l'invention est de mesurer le coefficient de friction de l'écoulement granulaire.
Un autre but de l'invention est de proposer un dispositif de mesure des contraintes basales plus précis et adapté aux écoulements granulaires fins.
Exposé de l'invention On atteint au moins l'un des objectifs précités avec un dispositif de mesure des contraintes basales d'un écoulement de particules, ledit dispositif comprenant (i) une première plaque, dite d'écoulement, à la surface de laquelle s'écoulent les particules, ladite plaque d'écoulement présentant une ouverture, dite de mesure, sur la surface d'écoulement, et (ii) une seconde plaque, dite de mesure, disposée au niveau de l'ouverture de mesure et parallèlement à la plaque d'écoulement, et dont les dimensions latérales sont toutes inférieures à celles de l'ouverture de mesure. Le dispositif de mesure selon l'invention comprend en outre au moins un capteur placé sous ladite plaque de mesure et apte à mesurer simultanément la composante normale et au moins une des composantes transversales et/ou longitudinales d'une force agissant sur la plaque de mesure.
Dans les paragraphes qui suivent, la direction suivant la direction principale de l'écoulement est qualifiée par l'adjectif « longitudinal », la direction perpendiculaire dans le plan d'écoulement desdits particules étant qualifiée par l'adjectif « transversal ». L'adjectif « normal » correspond à la direction perpendiculaire à la surface d'écoulement et s'étendant au-delà ou en deçà de ladite surface.
Ainsi le dispositif de mesure selon l'invention permet de mesurer le rapport entre les contraintes longitudinales et les contraintes normales et donc, in fine, le coefficient de friction de l'écoulement granulaire. En effet, contrairement aux dispositifs de mesure existant jusqu'alors, la mesure simultanée et en un même point donné des composantes normales et tangentielles des forces générées par l'écoulement sur la plaque de mesure permet de connaître le rapport entre la contrainte cisaillante (obtenue par la mesure des composantes tangentielles des forces exercées sur la plaque de mesure) et la contrainte normale (obtenue par la mesure de la composante normale des forces exercées sur la plaque de mesure) et de déterminer, in fine, le coefficient de friction par le bais desdites mesures mécaniques plutôt que par estimation de la contrainte normale par exemple. En effet, l'estimation de la contrainte normale pour déterminer le coefficient de friction est, dans certaines conditions, très approximatif et mène à des incertitudes ou des erreurs parfois élevées sur la valeur du coefficient de friction calculé. C'est notamment le cas lorsqu'on cherche à étudier les écoulements granulaires fins, pour lesquels il n'est pas simple de connaître la fraction volumique desdites particules qui participent à l'effort exercé sur la plaque de mesure, menant ainsi à une incertitude de mesure particulièrement élevée.
De plus, les capteurs utilisés jusqu'à présent ne permettent de mesurer qu'une seule des composantes de la contrainte basale générée par des écoulements granulaires : des capteurs de charge mesurent la composante normale de la contrainte alors que des jauges de cisaillement peuvent mesurer la composante tangentielle.
Ainsi, le dispositif de mesure selon l'invention permet aussi de mieux connaître les efforts mécaniques générés par des écoulements granulaires sur le substrat car les forces appliquées par l'écoulement granulaire sur le substrat sont mesurées de manière simultanée et suivant plusieurs axes de projection, permettant ainsi de mieux rendre compte de la physique sous- jacente. Enfin, le dispositif de mesure selon l'invention est plus précis et adapté aux écoulements granulaires fins car il permet de manière nouvelle et inédite jusqu'alors de mesurer à l'aide de moyens adaptés les composantes tangentielles et normales des forces générées lors d'un écoulement granulaire fin du type de ceux réalisés en laboratoire.
En particulier, et à titre non limitatif, le dispositif selon l'invention peut mettre en œuvre des capteurs piézoélectriques tri-axes qui permettent de mesurer les trois composantes d'une force appliquée sur leur surface de contact. Ils sont ainsi capables de mesurer en un point donné et de façon synchrone la composante normale et les deux composantes tangentielles de la contrainte basale
Idéalement, les capteurs utilisés ont un seuil de détection de l'ordre du centième de Newton afin de mesurer précisément des écoulements granulaires fins dont les épaisseurs sont de l'ordre du centimètre. Selon une version préférentielle, le dispositif selon l'invention comprend une pluralité de capteurs mesurant à la fois de manière simultanée les différentes composantes des forces appliquées sur la plaque de mesure et de manière synchrone entre eux. Ainsi, à chaque instant donné de mesure, les capteurs délivrent une information simultanée des composantes normales et tangentielles et/ou longitudinales desdites forces, en différents points de la plaque de mesure afin de pouvoir réaliser un moyennage et diminuer ainsi le niveau de bruit et /ou d'incertitudes sur les mesures ainsi réalisées. L'utilisation d'une pluralité de capteurs permet par ailleurs de mieux stabiliser la plaque de mesure durant ledit écoulement. Selon une version particulière de l'invention, la plaque de mesure constitue un chenal à l'intérieur duquel les particules s'écoulent sans pouvoir en déborder latéralement. Par la suite, le terme « plaque d'écoulement » décrira à la fois un support plan ou un chenal d'écoulement.
Selon une version préférentielle, le dispositif selon l'invention est constitué d'une plaque de mesure indépendante de la plaque d'écoulement ; les au moins un capteurs supportant d'une part la plaque de mesure et étant reliés d'autre part à la plaque d'écoulement. La plaque d'écoulement est ajourée selon une forme semblable à celle de la plaque de mesure, et dont les dimensions sont issues d'une dilatation homothétique des dimensions de la plaque de mesure, de manière à ce que cette dernière puisse être insérée sans contact au centre de l'espace vide ainsi créé.
Avantageusement, un espace de l'ordre de 100 pm peut être laissé entre la plaque de mesure et la plaque d'écoulement.
Alternativement, la plaque de mesure peut être insérée entre deux plaques d'écoulement non jointives et alignées longitudinalement. Selon une version préférentielle, la plaque d'écoulement peut posséder une rugosité non uniforme à l'aide par exemple de pastilles et/ou particules collées à sa surface, afin de représenter des conditions d'écoulements non uniformes, non homogènes et plus variées.
Selon une version préférentielle, le dispositif selon l'invention peut comprendre en outre des moyens formant obstacles à l'écoulement des particules, lesdits moyens étant fixés sur la plaque d'écoulement.
Selon une version préférentielle, le dispositif selon l'invention peut comprendre en outre des moyens de traitement des données aptes à déterminer une contrainte mécanique et un coefficient de friction à partir des mesures réalisées de l'écoulement desdites particules sur ladite plaque de mesure. Ces moyens de traitement peuvent prendre n'importe quelle forme ; il peut s'agir notamment d'un ordinateur.
Selon une autre version de l'invention, la plaque d'écoulement peut être inclinée longitudinalement afin de permettre un écoulement granulaire sous le seul effet de la gravité sur les particules. L'angle d'inclinaison peut être variable, compris entre 0° (horizontal) et 90° (vertical) afin de générer des écoulements non permanents, en décélération (à faible pente) ou en accélération (à forte pente). Le dispositif peut aussi inclure des moyens de réglage précis dudit angle de rotation, comme un système de tiges filetées et/ou des moyens de motorisation par exemple. Selon une autre version de l'invention, l'angle d'inclinaison de la plaque d'écoulement peut varier durant l'expérience, c'est-à-dire durant la chute desdites particules. Ces dispositions permettent de faire varier les conditions expérimentales associées à la chute desdites particules et de retranscrire un plus grand nombre de situations réelles.
Selon une autre version préférentielle, l'espace libre entre la plaque de mesure et la plaque d'écoulement du dispositif selon l'invention peut être inférieur aux dimensions des particules en écoulement afin d'éviter que celles-ci ne glissent entre la plaque de mesure et la plaque d'écoulement d'une part, et éviter qu'elles ne s'opposent à la mobilité de la plaque de mesure par rapport à la plaque d'écoulement, sous l'effet dudit écoulement et des forces produites sur la plaque de mesure. Cette disposition particulière permet par ailleurs de ne pas avoir à utiliser de joint entre la plaque de mesure et la plaque d'écoulement, dont la rigidité pourrait fausser les mesures réalisées.
Cependant, selon une version particulière de l'invention, il est possible d'utiliser un joint entre la plaque de mesure et la plaque d'écoulement, dont les caractéristiques mécaniques - notamment la dureté - sont telles que la rigidité du joint est inférieure ou égale à la constante de rigidité des moyens de mesure aptes à mesurer au moins une composante transversale et/ou longitudinale de la force subie par la plaque de mesure. Préférentiellement, la rigidité dudit joint est négligeable devant celle desdits moyens de mesure. De manière connue, on considère qu'une première rigidité au moins dix fois inférieure à une seconde rigidité est négligeable devant la seconde.
Selon une autre version de l'invention, le dispositif peut comprendre en outre au moins un moyen de liaison reliant la plaque de mesure à la plaque d'écoulement afin de contraindre certain degrés de libertés de ladite plaque de mesure et de la guider suivant certains degrés bien définis. Cette configuration avantageuse peut rendre le dispositif plus robuste et plus solide en fonction du type d'écoulement mise en œuvre et des efforts exercés sur ladite plaque de mesure. De manière connue, un degré de liberté - c'est-à-dire un mouvement - est bloqué par un tel moyen de liaison si la rigidité associée à ce mouvement est grande devant les efforts mis en jeu. A contrario, un degré de liberté est autorisé par un tel moyen de liaison si la rigidité associée à ce mouvement est faible devant les efforts mis en jeu.
Ainsi, un moyen de liaison peut se définir par six rigidités caractéristiques de trois rotations « unitaires » et de trois translations « unitaires ».
A titre d'exemple non limitatif, les moyens de liaisons peuvent par exemple autoriser les deux rotations de la plaque de mesure autour des axes longitudinaux et transverses ainsi que la translation suivant l'axe normal, et contraindre la rotation suivant l'axe normal ainsi que les translations suivant les axes longitudinaux et transverses.
Les moyens de liaisons peuvent aussi permettre de « filtrer » des mouvements parasites qui perturberaient les mesures de contraintes basales et/ou de sélectionner un certain type de forces afin de réaliser des mesures plus spécifiques.
Les moyens de liaison peuvent prendre n'importe quelle forme connue par l'homme du métier. A titre d'exemple non limitatif, ils peuvent consister en des moyens de liaisons indépendants et agencés et fixés entre la plaque de mesure et la plaque d'écoulement. Ils peuvent notamment consister en des éléments flexibles dont les caractéristiques mécaniques sont telles que les rigidités sont dimensionnées afin d'autoriser un certain type de mouvements.
Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, la plaque de mesure et la plaque d'écoulement peuvent être obtenus à l'aide d'une structure monoblocs, les moyens de liaisons flexibles étant dimensionnés et usinés directement sur la plaque d'écoulement afin de délimiter la plaque de mesure et d'en autoriser certains mouvements désirés.
Alternativement, l'au moins un moyen de liaison peut présenter au moins une rigidité longitudinale et/ou transversale(s) négligeable(s) devant les forces mesurées par ledit dispositif afin de ne pas perturber la mesure de force.
Suivant une autre version préférentielle de l'invention, le dispositif peut comprendre par ailleurs au moins un réservoir apte à contenir lesdites particules d'écoulement et situé à une première extrémité de la plaque d'écoulement afin de générer un écoulement dont le volume global est prédéterminé.
Préférentiellement, l'au moins un réservoir peut comprendre en outre un moyen d'ouverture contrôlé afin de générer un écoulement granulaire dont l'épaisseur et la vitesse d'écoulement sont maîtrisées.
Alternativement, l'au moins un réservoir peut-être situé en hauteur par rapport à la plaque d'écoulement, de manière à ce que les particules s'écoulent sur la plaque d'écoulement sous l'effet de la gravité.
Selon une autre version de l'invention, le dispositif comprend en outre un réceptacle disposé à l'extrémité de la plaque d'écoulement opposée à celle où se situe le réservoir et/ou au du côté le plus bas de la pente. Le réceptacle est agencé pour recevoir les particules qui s'écoulent sur la plaque d'écoulement et qui arrivent à son extrémité.
Selon une autre version préférentielle de l'invention, le moyen de mesure peut avoir une bande passante supérieure au kilohertz afin de mesurer des variations rapides de la contrainte basale générée par l'écoulement et de caractériser plus précisément ledit écoulement.
Selon une autre version, le moyen de mesure peut être un capteur piézoélectrique. Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé de mesure des contraintes basales d'un écoulement de particules à l'aide d'un dispositif selon l'invention et comprenant au moins une des itérations suivantes : (i) déclenchement du moyen d'ouverture contrôlé, (ii) écoulement des particules sur la plaque d'écoulement, (iii) mesure des forces exercées sur la plaque de mesure durant l'écoulement. Avantageusement le procédé de mesure peut comprendre par ailleurs une étape ultérieure d'acquisition des données et/ou de calcul des contraintes mécaniques et/ou du coefficient de friction à partir des mesures de forces.
Description des figures et des modes de réalisation
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore au travers de la description qui suit d'une part, et de plusieurs exemples de réalisation donnés à titre indicatif et non limitatif en référence aux dessins schématiques annexés d'autre part, sur lesquels : - La figure 1 illustre un schéma de principe du dispositif de mesure des contraintes basales d'un écoulement granulaire, selon le mode de réalisation préféré de l'invention,
- La figure 2 illustre une vue de dessus de la coopération entre la plaque de mesure et les moyens de mesure d'une part, et la plaque d'écoulement d'autre part.
- La figure 3 illustre des mesures statiques obtenues avec un dispositif selon l'invention.
- La figure 4 illustre des mesures dynamiques obtenues avec un dispositif selon l'invention. Les modes de réalisation qui seront décrits dans la suite ne sont nullement limitatifs ; on pourra notamment imaginer des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites par la suite isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieur. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieur. En particulier toutes les variantes et tous les modes de réalisation décrits sont combinables entre eux si rien ne s'oppose à cette combinaison sur le plan technique.
Sur les figures, les éléments communs à plusieurs figures conservent la même référence.
La FIGURE 1 décrit un dispositif de mesure 100 des contraintes basales d'un écoulement granulaire selon l'invention. Il comprend (i) une plaque d'écoulement 101 - préférentiellement inclinée - sur laquelle des particules 112 se répandent, (ii) une plaque de mesure 102 sur laquelle sont fixés (iii) au moins un capteur de force 150. Un bâtit mécanique 110-111 supporte l'ensemble des différents composants énumérés ci-dessus.
A l'aide d'un dispositif de mesure 100 selon l'invention, un écoulement granulaire se propage le long de la plaque d'écoulement 101 et génère des forces sur la plaque de mesure 102. Du fait de la rigidité non infinie des capteurs de forces 150 disposés sous la plaque de mesure 102, ces forces génèrent une déformation des capteurs de forces 150 proportionnelle à leur rigidité.
Dans l'exemple illustré sur la FIGURE 1, deux capteurs 150a et 150b sont disposés sous la plaque de mesure 102 afin d'en assurer sa stabilité durant l'écoulement granulaire. Cependant, l'invention ne se limite pas à ce mode de réalisation et inclut toutes les configurations comprenant au moins un capteur de force fixé sous ladite plaque de mesure.
La base des capteurs est fixée sur une plaque inférieure 103 qui est raccordée directement ou indirectement au bâtit du dispositif. A titre d'exemple non limitatif, la plaque inférieure 130 peut être reliée par des moyens de raccordement 104-105 à la plaque d'écoulement 101. Il est cependant important que la chaîne de raccordement mécanique entre la base des capteurs de force et la plaque d'écoulement soit rigide devant les efforts générés par l'écoulement granulaire afin de ne pas introduire d'erreur dans la mesure de force. Les particules sont disposées dans un réservoir 106 situé préférentiellement en hauteur par rapport à la plaque d'écoulement 101. Les particules 109 s'écoulent dudit réservoir sur la plaque d'écoulement 101 sous l'effet de leur poids et de la gravité. Selon un mode particulier de réalisation, il est aussi possible d'introduire des moyens de projection afin de propulser lesdites particules sur la rampe d'écoulement avec une vitesse initiale non nulle, la configuration la plus simple étant un réservoir situé au-dessus de la plaque d'écoulement.
Selon un mode préférentiel de l'invention, le réservoir 106 peut aussi comprendre une porte 107 dont l'ouverture peut être contrôlée et/ou motorisée, afin de générer un écoulement granulaire 112 dont l'épaisseur peut être contrôlée.
Comme illustrée sur la FIGURE 2, la plaque de mesure 102 est située au niveau de la plaque d'écoulement 101, si possible de manière coplanaire, à tout le moins le plus parallèle possible. Afin de ne pas empêcher la plaque de mesure 102 de se déplacer sous l'effet des forces générées par l'écoulement granulaire 112, il importe que ladite plaque de mesure 102 puisse se déplacer librement et sans obstacle.
Par ailleurs, il est préférable qu'elle soit facilement insérable manuellement au milieu de la plaque d'écoulement 101, mais l'espace libre 200 entre la plaque de mesure 102 et la plaque d'écoulement 101 doit être inférieur aux dimensions des particules de l'écoulement afin que celles-ci ne glissent pas dans cet interstice 201 et ne bloquent ladite plaque de mesure 102. Préférentiellement, les dimensions de l'interstice 201 séparant la plaque de mesure 102 de la plaque d'écoulement 101 sont comprises dans la fourchette 100 pm - 150 pm.
La position de la plaque de mesure 102 le long de l'axe longitudinal de la plaque d'écoulement 101 peut varier selon les effets recherchés.
Le nombre de plaques de mesure 102 ainsi que le nombre de moyens de mesure 150 associé peut varier. Dans la FIGURE 1, un dispositif 100 selon l'invention est représenté avec une plaque de mesure 102 et deux capteurs de forces 150a et 150b. Cependant, l'invention couvre aussi d'autres configurations de capteurs 150 fixés sous la plaque de mesure 102; et/ou plusieurs plaques de mesure 102 coopérant avec une plaque d'écoulement 101.
La FIGURE 3 illustre les résultats de mesures statiques obtenus avec un dispositif de mesure 100 des contraintes basales selon l'invention.
Une première série de mesures statiques a été réalisée en déposant un objet de masse connue (M = 180 g) sur la plaque de mesure 101 inclinée à a=24° par rapport à l'horizontale. Les forces normales, Fz= Mg cos(a), et tangentielles, Fx= Mg sin(a), ainsi mesurées correspondent au poids de l'objet avec une erreur inférieure à 3% d'une part ; et la tangente inverse du rapport des deux forces (Fx/Fz) correspond avec la pente de la rampe à environ 0.1 degré près.
La FIGURE 4 illustre les résultats de mesures dynamiques obtenus avec un dispositif de mesure 100 des contraintes basales selon l'invention. Une deuxième série de mesures dynamiques a aussi été effectuée en réalisant des écoulements en régime permanent sur une plaque d'écoulement 101 inclinée à environ 25°. Les forces normales (Fz), tangentielles (Fx) et longitudinales (Fy) sont enregistrées durant ledit écoulement, et la contrainte (Fx/Fz) est calculée en temps réel . Les mesures ont mis en évidence un léger cintrage de la plaque d'écoulement 101 sous l'effet du poids des particules 112 lors de leur passage, suivi d'une relaxation lorsque lesdites particules 112 sont évacuées. A cause de la forte rigidité des capteurs de force 150 et de leur très faible seuil de détection, les mesures sont biaisées lorsque le système utilise deux capteurs car la précontrainte exercée sur chaque capteur n'est pas la même avant et après l'expérience. Pour cette raison, le dispositif 100 utilise préférentiellement un seul capteur à condition que la plaque de mesure soit stable durant l'écoulement (ce qui est le cas sur l'exemple illustré). Le dispositif avec un capteur selon l'invention permet désormais de mesurer avec précisions les contraintes basales générées par des écoulements granulaires.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. Notamment, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. En particulier toutes les variantes et modes de réalisation décrits précédemment sont combinables entre eux.

Claims

Revendications
Dispositif de mesure (100) des contraintes basales d'un écoulement de particules (109), ledit dispositif comprenant :
- une première plaque (101), dite d'écoulement, à la surface de laquelle (130) s'écoulent les particules (112), ladite plaque d'écoulement (101) présentant une ouverture (200), dite de mesure, sur la surface d'écoulement (130),
- une seconde plaque (102), dite de mesure, disposée au niveau de l'ouverture de mesure (200) et parallèlement à la plaque d'écoulement (101), et dont les dimensions latérales sont toutes inférieures respectivement à celles de l'ouverture de mesure (200),
caractérisé en ce que ledit dispositif (100) comprend en outre au moins un capteur (150) placé sous ladite plaque de mesure (102) et apte à mesurer simultanément la composante normale et au moins une des composantes transversales et/ou longitudinales d'une force agissant sur la plaque de mesure (102).
Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de capteurs synchronisés.
Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, comprenant en outre des moyens de traitement des données aptes à déterminer une contrainte mécanique et un coefficient de friction à partir des mesures réalisées de l'écoulement desdites particules (120) sur ladite plaque de mesure (102).
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la plaque d'écoulement (101) est inclinée longitudinalement.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la plaque d'écoulement (101) possède une rugosité non uniforme.
Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que des moyens formant obstacles à l'écoulement des particules sont fixés sur la plaque d'écoulement (101).
Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'espace libre (201) entre la plaque de mesure (102) et la plaque d'écoulement (101) est inférieur aux dimensions des particules (112) en écoulement.
Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins un moyen de liaison relie la plaque de mesure (102) à la plaque d'écoulement (101).
9. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'au moins un moyen de liaison a au moins une rigidité normale et/ou transversale(s) négligeable(s) devant les forces mesurées par ledit dispositif (100).
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend par ailleurs au moins un réservoir (106) apte à contenir lesdites particules d'écoulement (112) et situé à une première extrémité (130) de la plaque d'écoulement.
11. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'au moins un réservoir (106) comprend un moyen d'ouverture contrôlé (107). 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que l'au moins un réservoir est situé en hauteur par rapport à la plaque d'écoulement, de manière à ce que les particules s'écoulent sur la plaque d'écoulement sous l'effet de la gravité.
13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'au moins un capteur (150) a une bande passante supérieure au kilohertz.
14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'au moins un capteur (150) est de type piézoélectrique.
15. Procédé de mesure des contraintes basales d'un écoulement de particules (112) à l'aide d'un dispositif (100) selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, ledit procédé comprenant au moins une des itérations suivantes :
- déclenchement du moyen d'ouverture contrôlé (107),
- écoulement des particules (112) sur la plaque d'écoulement (101),
- mesure simultanée de la composante normale et d'au moins une des composantes transversales et/ou longitudinales des forces exercées sur la plaque de mesure (102) durant l'écoulement.
16. Procédé selon la revendication précédente, comprenant par ailleurs une étape ultérieure de calcul des contraintes mécaniques et/ou du coefficient de friction à partir des mesures de forces.
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