Micro-rheology of dense particulate flows: Application to immersed avalanches

International audienceWe rely here on a non-smooth contact dynamics (NSCD) approach to treat particle collisions in a direct numerical simulation of a dense particulate flow. Interactions between particles are considered by a non-smooth formulation of particle dynamics at the microscopic scale, which enables one to straight forwardly implement complex contactlaws. The hydrodynamic coupling is achieved by a distributed Lagrange multiplier/fictitious domain (DLM/FD) method . As a preliminary step, the relevance of our NSCD-DLM/FD method is assessed by comparing results of 2D sedimentation simulations with those obtained with a usual molecular dynamics collision model. Then, we use it to investigate how a fully immersed granular packing collapses depending on its initial particle volume fraction, providing clues on the micro-rheology of dense particulate flows

Effet d'un fluide sur la dynamique d'effondrement d'une colonne de grains

Nous étudions l'effet d'un fluide sur l'effondrement et l'étalement d'une colonne de grains à l'aide d'un modèle numérique tenant compte à la fois des efforts du fluide sur les particules et des interactions entre les particules elles-mêmes. Le modèle repose sur le couplage entre une approche discrète de type dynamique des contacts pour modéliser la phase granulaire avec une approche DNS permettant de résoudre les équations de Navier-Stokes à une échelle inférieure à celle des grains. Nous nous intéressons plus spécifiquement ici à l'influence du rapport d'aspect (hauteur/largeur) des colonnes et de la nature/présence du fluide sur les distances de run-out et les durées d'avalanches. Quel que soit le régime fluide-grains considéré (sec, inertiel ou visqueux), nous remarquons que la distance d’étalement suit une loi de puissance avec le rapport d’aspect initial des colonnes identiquement à ce que montrent des travaux réalisés précédement sans fluide. De plus, cette étude met en évidence deux effets contraires du fluide: d'une part il dissipe l'énergie cinétique des grains par frottement visqueux durant la phase de chute et d'autre part, il facilite leur écoulement pendant la phase d'étalement en lubrifiant les contacts. La concurrence entre ces deux effets antagonistes explique pourquoi nous obtenons des distances d'étalement similaires en présence ou non de fluide malgré des cinétiques (durées d'avalanches) sensiblement différentes

Effondrement d'une colonne de grains dans un fluide

Nous étudions l'effondrement d'une colonne de grains dans un fluide à l'aide d'un modèle basé sur le couplage entre une approche discrète (Dynamique des contacts) pour les grains et continue (Eléments finis) pour le fluide. Une étude paramétrique a permis de mettre en évidence l'influence de l'arrangement granulaire initial sur le temps de mise en mouvement et sur la cinétique de l'écoulement. Des travaux plus récents s'intéressent à l'étalement final de ces colonnes en fonction de leur rapport d'aspect initial

Matériaux granulaires cimentés : modélisation et application à l'albumen de blé

In this work, we investigate cemented granular materials involving a dense particulate structure and a continuous matrix filling partially the interstitial space. The results were applied to the wheat endosperm modelled as an assembly of starch granules embedded in a protein matrix in view of better understanding of the origins of the wheat hardness (soft, hard and durum classes of wheat). The deformation and fracture of the particle and matrix phases and their interface were modelled by means of a lattice element approach. Three regimes of crack propagation were evidenced by a detailed parametric study in simple compression and tension. These regimes are characterized by particle damage as a func- tion of the matrix volume fraction and particle-matrix adhesion. The granular microstructure is shown to control the stress concentration, analyzed through the probability densities of the local stresses, and the rupture modes. The force transmission is found to compare well between the lattice element method and discrete element method. Simple compression tests were performed on samples of a cemented granular material in which the matrix volume fraction (cement) and particle-matrix adhesion (LECA beads coa- ted by silicone) were varied. The experimental results were in good agreement with numerical results. In both cases, we find that particle damage is controlled by the relative toughness of the particle-matrix interface combining the matrix volume fraction and particle-matrix adhesion. A simple theoretical model was elaborated taking into account the structural effects for the prediction of the elastic moduli in tension and compression, as well as the rupture thresholds. When compared to measured data concerning starch damage for different wheat varieties, our results suggest that the starch-protein adherence is dependent on the volume of puroindolines at the interface.Ce travail de thèse est consacré à l'étude des matériaux granulaires cimentés composés d'un assemblage dense de particules et d'une matrice remplissant partiellement l'espace entre les particules. Cette étude a été plus particulièrement appliquée au cas de l'albumen de blé, modélisé comme un assemblage de granules d'amidon liés entre eux par une matrice protéique, afin de comprendre les origines physiques de la friabilité (blés hard, soft, durum) des types de blé. Une modélisation numérique basée sur une discrétisation sur réseau a permis de prendre en compte la déformation et la rupture des phases et de leurs interfaces. Nous avons mis en évidence, par une étude paramétrique en compression et en traction simples, trois régimes de rupture caractérisés par l'endommagement des particules en fonc- tion de la fraction volumique de la matrice et de l'adhésion à l'interface entre les particules et la matrice. La microstructure granulaire contrôle la concentration des contraintes, mise en évidence par leurs densités de probabilité, et le mode de fissuration du milieu. Une comparaison a été réalisée avec la méthode des éléments discrets dans le cas de la transmission des forces. Des expériences de compression simple sur un matériau modèle ont permis de valider les résultats numériques. Dans les deux cas, numérique et expérimental, l'endommagement des particules est gouverné par une ténacité relative à l'interface particule-matrice qui combine la fraction volumique de la matrice et l'adhésion à l'interface. Nous avons également élaboré un modèle théorique simple permettant de prendre en compte les effets de structure granulaire pour prédire les seuils de rupture et les modules élastiques en traction et en compression. Le rapprochement entre nos résultats et les données relatives à l'endommagement des granules d'amidon pour différentes variétés de blé suggère que l'adhésion à l'interface entre la matrice protéique et les gra- nules d'amidon est contrôlée par le volume de puroindolines

Stress fields in granular solids: Effect of composition

We use the lattice element method to investigate stress fields at the sub-particle scale in granular solids composed of particles embedded in a cementing matrix. The stress distributions are found to be similar in 2D and 3D samples subjected to vertical loading with free lateral boundaries. We find that the number of strong forces falls off exponentially at high particle volume fractions where a percolating network of jammed particles occurs. The influence of the matrix volume fraction and particle/matrix stiffness ratio with respect to stress distribution is analyzed in 2D and 3D. We show that both decreasing the matrix volume fraction and increasing the stiffness ratio lead to increasingly broader distributions within a limit beyond which the distribution is independent of one or both of these parameters

Impact de la formation de lits de débris sur le refroidissement d'un coeur dégradé en cas d'accident nucléaire

International audienceImpact de la formation de lits de débris sur le refroidissement d'un coeur dégradé en cas d'accident nucléair

Modeling of coupled heat and mass transfers with phase change in a porous medium. Application to the superheated steam drying

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