Structures méta-granulaires cohésives dans les environnements fluides : De la mécanique fondamentale aux applications côtières // Cohesive Meta-Granular Structures in Fluid Environments: From Fundamental Mechanics to Coastal Applications

Les matériaux granulaires composés de grains fortement non convexes présentent des propriétés mécaniques uniques, notamment en termes de cohésion induite par leur géométrie. Contrairement aux systèmes granulaires classiques, où la cohésion est souvent régie par des interactions physicochimiques (par exemple, les forces de van der Waals, la capillarité ou les forces électrostatiques), ces matériaux dits « méta-granulaires » tirent leur force de cohésion de mécanismes d'imbrication et d'enchevêtrement. Ce concept a récemment attiré l'attention de la recherche fondamentale et appliquée, avec des applications potentielles dans des domaines allant du génie civil à la biologie. Récemment, la communauté des physiciens et des mécaniciens granulaires a commencé à explorer les propriétés intrigantes des matériaux composés de grains hautement non convexes. Ces grains présentent des comportements mécaniques remarquables, formant des structures stables et autoportantes avec un minimum de liaison externe. Ces matériaux ont déjà été incorporés dans des conceptions architecturales et de protection côtière innovantes. Leur capacité à s'imbriquer les uns dans les autres et à créer une cohésion induite par la géométrie ouvre la voie à des classes entièrement nouvelles de méta-matériaux poreux, résilients et durables qui n'ont pas encore été explorés. La famille des polypodes, qui a déjà démontré son efficacité dans la protection des côtes, est un exemple frappant de grains non convexes. Leur capacité d'imbrication les rend particulièrement efficaces pour dissiper l'énergie des vagues, réduire l'érosion et stabiliser les structures immergées.
Cependant, alors que ces structures ont été largement étudiées dans des conditions sèches, leur comportement dans des environnements fluides reste mal compris. L'interaction entre des assemblages granulaires géométriquement cohésifs et les fluides environnants pourrait permettre de mieux comprendre la perméabilité, l'atténuation des vagues et les mécanismes de filtrage, qui ont tous des applications potentielles dans le domaine de la conservation marine et de l'ingénierie côtière.
Cette recherche doctorale vise à étudier le comportement des structures méta-granulaires géométriquement cohésives dans des environnements fluides. L'objectif principal est de comprendre comment ces structures interagissent avec les fluides, en se concentrant sur leur perméabilité, leur réponse mécanique aux forces hydrodynamiques et leur capacité à atténuer les effets des vagues. Dans ce projet, nous n'abordons pas spécifiquement la question de la cohésion géométrique. En revanche, ce projet explorera la stabilité et la fonctionnalité des assemblages granulaires géométriquement cohésifs lorsqu'ils sont soumis à l'écoulement des fluides. En outre, nous évaluerons leur potentiel pour la préservation de l'écosystème marin en analysant leur aptitude à servir de structures de récifs artificiels.
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Granular materials composed of highly non-convex grains exhibit unique mechanical properties, particularly in terms of cohesion induced by their geometry. Unlike classical granular systems, where cohesion is often governed by physicochemical interactions (e.g., van der Waals forces, capillarity, or electrostatic forces), these so-called 'meta-granular' materials derive their cohesive strength from interlocking and entanglement mechanisms. This concept has recently gained attention in both fundamental and applied research, with potential applications in fields ranging from civil engineering to biology. Recently, the granular mechanics and physicist community has begun exploring the intriguing properties of materials composed of highly non-convex grains. These grains exhibit remarkable mechanical behaviors, forming stable, self-supporting structures with minimal external binding. Such materials have already been incorporated into innovative architectural and coastal protection designs. Their ability to interlock and create geometrically induced cohesion opens the door to entirely new classes of not yet explored porous, resilient, and sustainable meta-materials. One prominent example of non-convex grains is the family of polypods, which have already demonstrated their efficiency in coastal protection. Their interlocking capability makes them particularly effective in dissipating wave energy, reducing erosion, and stabilizing submerged structures.
However, while these structures have been extensively studied in dry conditions, their behavior in fluid environments remains poorly understood. The interaction between geometrically cohesive granular assemblies and surrounding fluids could lead to new insights into permeability, wave attenuation, and filtering mechanisms, all of which have potential applications in marine conservation and coastal engineering.
This PhD research aims to investigate the behavior of geometrically cohesive meta-granular structures in fluid environments. The primary objective is to understand how these structures interact with fluids, focusing on their permeability, mechanical response to hydrodynamic forces, and potential to mitigate wave effects. In this project we do not specifically address the question of Geometric Cohesion, in contrast this project will explore the stability and functionality of geometrically cohesive granular assemblies when subjected to fluid flow. Additionally, we will assess their potential for marine ecosystem preservation by analyzing their suitability as artificial reef structures.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Contrat doctoral

Concours pour un contrat doctoral

Université de Montpellier

166 I2S - Information, Structures, Systèmes

La thèse requiert des connaissances et des compétences en matière de modélisation numérique discrète, de physique et de mécanique des matériaux granulaires, ainsi qu'une forte appétence pour le développement d'expériences innovantes.
The thesis requires knowledge and skills in discrete numerical modeling, the physics and mechanics of granular materials as a well a strong appetite for developing innovative experiments.