CSMA2026

A Continuum Nonlinear Model for Wave Propagation and Quasistatic Flow in Granular Media
Sebastiano Cominelli  1@  , Régis Cottereau  2@  , Sergey Gavrilyuk  3@  , Bruno Lombard  4@  , Fabien Petitpas  5@  
1 : Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique [Marseille]  (LMA)
Aix Marseille Université, Centre National de la Recherche Scientifique
4 impasse Nikola TeslaCS 4000613453 Marseille Cedex 13 -  France
2 : Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique [Marseille]  (LMA)
Aix Marseille Université, Centre National de la Recherche Scientifique
4 impasse Nikola TeslaCS 4000613453 Marseille Cedex 13 -  France
3 : Institut universitaire des systèmes thermiques industriels  (IUSTI)  -  Site web
Aix Marseille Université, Centre National de la Recherche Scientifique
Laboratoire IUSTI Technopôle de Château-Gombert5 rue Enrico Fermi13453 Marseille cedex 13FRANCE -  France
4 : Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique [Marseille]  (LMA)  -  Site web
Aix Marseille Université, Ecole Centrale de Marseille, Centre National de la Recherche Scientifique, Aix Marseille Université : UMR7031, Ecole Centrale de Marseille : UMR7031, Centre National de la Recherche Scientifique : UMR7031
4 impasse Nikola TeslaCS 4000613453 Marseille Cedex 13 -  France
5 : Institut universitaire des systèmes thermiques industriels
Aix Marseille Université : UMR7343, Aix Marseille Université : UMR7343

Granular materials exhibit complex behaviour, transitioning between solid-, liquid- and gas-like states depending on factors such as compaction, stress and deformation rate. This study proposes a continuous nonlinear model for wave propagation in granular media, inspired by a modified form of the Euler equations and informed by Hertzian contact theory. The model captures the dependence of wave speed on compaction, and deformation tensor invariants are used to extend it and describe shear-induced dilation. Finite-volume simulations demonstrate that the model stabilises granular piles in the quasi-static regime and recovers realistic angles of repose. These results represent a promising step towards the large-scale modeling of granular assemblies, such as railway ballast.


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