The aim of this study was to map the prevalence of aeolian sand dunes in Västerbotten, northern Sweden to find dunes formed during earlier deglaciation phases, which was then preserved in cold-based conditions during the youngest stadial of the Weichselian glaciation. These preserved dunes were expected to be covered by a layer of till and have a rather faint morphology compared to dunes formed during the Holocene. Consequently, high resolution LIDAR-derived images from the Swedish mapping, cadastral and land registration authority (Lantmäteriet) was used to detect the dunes throughout an area covering most of Västerbotten, above the highest coastline and below the mountain range. The analysis resulted in several new findings of aeolian dunes compared to the findings in the quaternary soil map created by the Geological Survey of Sweden. Despite the fact some of the dunes at the LIDAR-derived image had a strange faint appearance, it was quickly evident during the fieldwork that the aeolian sand was not covered by till on any of the dunes visited. The common view during the last decades has been that cold-based ice will not erode or alter the morphology of the landscape beneath the ice. However, this study suggests that hypothesis may not be entirely correct, and therefore it can be hard to use geomorphological implications to reconstruct past glacial environments. Thus, it can be concluded that even under cold-based conditions, preservation of aeolian sand dunes in Västerbotten is probably not very common.

L’érosion est un phénomène d’arrachage et de transport de particules solides par des efforts hydrauliques au sein des ouvrages hydrauliques. Cette pathologie très représentée dans les ouvrages en terre peut conduire à la rupture, aussi, la comprendre et la maîtriser constituent des enjeux sociétaux et industriels très forts. L’érodabilité des matériaux se caractérise au travers notamment d’un essai dit d’érosion de conduit et sa modélisation numérique constitue le pivot de ce travail de thèse. Le phénomène d’érosion est un problème couplé entre le fluide et le solide et nous utiliserons deux codes construits sur des approches particulaires pour aborder le problème : ASPHODEL (ANDRITZLMFA) pour la partie fluide (méthode SPH-ALE Smoothed Particle Hydrodynamics – Arbitrary Lagrangian Eulerian) et YADE (L3S-R) pour la fraction solide (méthode DEM Discrete Element Method). Alors que YADE a été largement utilisé pour modéliser des problèmes géotechniques, ASPHODEL n’a pas encore été évalué dans un tel contexte. Ce travail constituera alors une étude de faisabilité pour l’utilisation d’ASPHODEL dans un contexte du génie civil et donnera les conditions pour espérer obtenir des résultats quantitatifs pour les phénomènes étudiés. Dans un deuxième temps, le couplage entre les deux codes sera construit dans le but d’étudier les phénomènes d’arrachage de particules le long de conduits formés à travers des matériaux granulaires cohérents. La validation du code ASPHODEL à l’échelle de la particule a été effectuée par l’étude de l’écoulement visqueux autour d’un objet 2D (cylindre) fixe et isolé de section circulaire mais aussi carrée ou triangulaire. Les forces de trainée, de portance, le coefficient de pression autour du cylindre et le nombre de Strouhal sont comparés à des résultats issus de la littérature pour différents Reynolds en régime laminaire. La validation du code ASPHODEL à l’échelle de l’échantillon a consisté à étudier un écoulement fluide entre des parois lisses ainsi que des parois constituées de particules solides fixes créant une rugosité. Le coefficient de frottement a été systématiquement calculé et comparé aux résultats issus de la littérature et le torseur fluide sur chaque particule solide des parois a été aussi évalué. Enfin, le couplage partitionné entre les deux codes fluide et solide a été construit et validé qualitativement pour le problème de la sédimentation sous gravité d’un grain solide rigide dans un fluide visqueux. / Erosion is a phenomenon related to the detachment and transport of solid particles by hydraulic efforts in hydraulic structures. This pathology which is common in earth structures can lead to their failure, therefore, the understanding and the prediction of this risk is of paramount importance. Soil erodibility is in many cases characterized through the hole erosion test and its numerical modeling is the pivot point of this thesis. The phenomenon of erosion is a coupled problem between the fluid and solid, and two particle based codes are chosen to address this problem : ASPHODEL (ANDRITZ - LMFA) for the fluid phase (method SPH – ALE Smoothed Particle Hydrodynamics - Arbitrary Lagrangian Eulerian) and YADE (L3S -R) for the solid phase (method DEM Discrete Element method). While YADE has widely been used to model geotechnical problems, ASPHODEL has not been evaluated in this context. This work will constitute a feasibility study for the use of ASPHODEL and its ability to obtain quantitative results for the studied phenomena is addressed. Furthermore, the coupling between the two codes will be carried out in order to study the phenomena of particles detachment along conducts which walls are made with cohesive granular materials. To validate the code ASPHODEL at the particle scale, a study of the viscous flow around a 2D fixed object (cylinder) with different sections (circular, triangular and square) is performed. The drag force, the lift force, the pressure coefficient around the cylinder and the Strouhal number are compared to results obtained from the literature for different Reynolds in the laminar regime. In addition, the coefficient of friction is systematically calculated and also compared with results taken from the literature. The fluid forces on each solid particle are also evaluated. Finally, the partitioned coupling between the solid and fluid codes is developed and qualitatively validated with the problem of sedimentation under gravity of a rigid solid grain in a viscous fluid.

Le travail présenté dans ce mémoire de thèse porte sur la modélisation discrète de l’évolution régressive du front d’un conduit d’érosion qui peut se produire dans les barrages ou digues en remblai. Des outils numériques ont été développés en se basant sur le couplage entre la méthode des éléments discrets (DEM) et la méthode de Boltzmann sur réseau (LBM) pour la description, respectivement, des phases solide et fluide. L’implémentation de la méthode DEM suit une approche standard de type dynamique moléculaire (DM) et les interactions intergranulaires sont modélisées par des contacts unilatéraux visco-élastiques frottants ou bilatéraux (ponts solides) viscoélastiques, afin de permettre la modélisation d’un sol légèrement cohésif. La méthode LBM est implémentée ici avec des temps de relaxation multiples (MRT) et une condition de rebondissement interpolée pour les frontières solides en mouvement, afin d’améliorer la stabilité numérique des calculs. Le schéma du couplage entre les deux méthodes, ainsi que les critères pour le choix des paramètres numériques des deux méthodes. Pour étudier le phénomène visé, un échantillon représentatif de sol granulaire situé au front d’un conduit d’érosion est d’abord assemblé par une procédure de préparation “à sec”, puis testé dans des conditions saturées sous un chargement hydraulique monotone croissant. L’érosion régressive se produit par amas de grains au niveau du front d’érosion ayant subi au préalable une dégradation due à de nombreuses ruptures de ponts solides en traction. L’autre phénomène important observé est la présence d’arcs associés a` des chaines de forces en compression qui parviennent à maintenir parfois totalement, parfois partiellement l’intégrité du matériau non érodé. / The work reported in this thesis consists in a discrete modelling of the backward front propagation of an erosion pipe, as can take place in embankment dams or dikes. Some numerical tools have been developed to this end, based on the coupling between the Discrete Element Method (DEM) and the Lattice Boltzmann Method (LBM) for the representation of the solid and uid phases, respectively. The implementation of DEM follows a standard molecular dynamics approach and the interaction among grains are regulated by unilteral frictional visco-elastic and breakable visco-elastic bonds, in order to take into account a slightly cohesive soil behaviour. The LBM was implemented according to the Multiple Relaxation Time (MRT) scheme along with an interpolated non-slip conditions for moving boundaries, in order to improve the numerical stability of the calculations. The coupling scheme is described along with the criteria for the numerical parameters of the two methods. A representative specimen of a granular soil located at the front of an erosion pipe is first assembled by a \dry" preparation precedure and then tested under fully-saturated conditions and increasing hydraulic load over time. Backward erosion is takes place in the form of clusters of grain being eroded at the erosion front after a degradation of the material due to the breakage of tensile bonds. The other interesting feature that was observed is the creation of arches of compressive force chains. These arches enabled the specimen to maintain a stable or metastable configuration under the increasing hydraulic load.

Analogue and numerical modelling in geosciences is an excellent tool for studying complex spatio-temporal relationships in mass and energy transfer. Recent developments and advances in the plate tectonics and planetology require a combination of both approaches to simulate processes that cannot be studied directly in-situ. Advanced physical models are complemented by deformation analysis which is based on image velocimetry and photogrammetry, while numerical simulations utilize both modern and traditional methods to solve corresponding equations in complex domains. This work compiles several models that are focused on deformation analysis associated with material and heat transfer in large accretionary systems. The second subject of the thesis represent the investigation of the formation and propagation of large mudflows in martian atmospheric conditions. In the first part of the work we present a general overview of the problems of analogue and numerical modelling including scaling theory, governing equations, individual methods and history. In the second part of the thesis we deal with laboratory and numerical simulations of collision-indentation tectonics associated with the emergence of large accretionary systems on Earth. The last part of the thesis is devoted to experiments designed for the...

Analogue and numerical modelling in geosciences is an excellent tool for studying complex spatio-temporal relationships in mass and energy transfer. Recent developments and advances in the plate tectonics and planetology require a combination of both approaches to simulate processes that cannot be studied directly in-situ. Advanced physical models are complemented by deformation analysis which is based on image velocimetry and photogrammetry, while numerical simulations utilize both modern and traditional methods to solve corresponding equations in complex domains. This work compiles several models that are focused on deformation analysis associated with material and heat transfer in large accretionary systems. The second subject of the thesis represent the investigation of the formation and propagation of large mudflows in martian atmospheric conditions. In the first part of the work we present a general overview of the problems of analogue and numerical modelling including scaling theory, governing equations, individual methods and history. In the second part of the thesis we deal with laboratory and numerical simulations of collision-indentation tectonics associated with the emergence of large accretionary systems on Earth. The last part of the thesis is devoted to experiments designed for the...

For food industry processes packaging machines with high throughput are required and one way to improve the overall machine efficiency is to increase its working speed. However, testing of prototypes is time and cost expensive. Therefore, simulation is used to evaluate the process and adapt it. Optimization can help to find better machine designs by using simulations to evaluate one solution. This work uses the Discrete Element Method to model a vertical tubular bag machine for packaging basmati rice. The Covariance Matrix Adaption Evolution Strategy optimizes the simulation model and results in a significant machine speedup. This work is a guidance to adapt this method for similar problems.

Cette thèse est une étude expérimentale et numérique du comportement au cisaillement de milieu granulaire humide sous l’effet de la quantité de liquide introduite et la contrainte normale appliquée. Les expériences ont été faites sur une cellule de cisaillement annulaire, pour une large gamme de contraintes appliquées allant de presque 0.3 kPa à 12 kPa. Les résultats donnent la variation de la contrainte de cisaillement en régime stationnaire en fonction de la contrainte normale pour une large variation de la quantité de liquide. Le liquide dans le milieu granulaire va de ponts liquides formés au point de contact jusqu’au remplissage totale de l'espace entre les grains. L’effet de liquide sur la résistance au cisaillement et la porosité de milieu granulaire a été analysé. Différents régimes du comportement de milieu granulaire humide ont été identifiés. Afin d’acquérir une compréhension microscopique du comportement au cisaillement de milieu granulaire sec et partiellement humide, la méthode des éléments discrets (DEM) a été utilisée. Des billes de verre de grande taille (2 mm de diamètre) ont été utilisées pour réduire le temps de simulation et faciliter la caractérisation à l’échelle de particule. Une première partie a été consacrée à l’étude de l’effet des propriétés microscopiques de particule (Module de Young et la friction de glissement) sur les propriétés macroscopiques de milieu granulaire sec et humide (le nombre de coordination, la porosité, le ratio de contraintes et la vitesse de particules). Une deuxième partie a été concernée par l’étude du comportement au cisaillement de milieu granulaire humide pour différentes fractions de liquide et différentes contraintes normales appliquées. En particulier, les forces capillaires et le nombre de ponts liquide ont été quantitativement analysés. / We study experimentally and numerically the shear behaviour of wet granular material. We investigate the effect of the liquid content and the applied normal stresses to this behaviour. An annular shear cell was used to carry out the experiments, for a large range of applied normal stress from about 0.3 kPa to 12 kPa. The results give the variation of the shear stress at steady-state as a function of the normal stress for a wide range of liquid fraction. The incorporated liquid goes from forming bridges at the contact point to completely filling the space between grains. The shear resistance and the voidage fraction variations with the liquid fraction were analysed. Depending on the applied normal stress and the liquid fraction, different regimes of the shear resistance were identified. The discrete element method (DEM) was used to gain a microscopic understanding of the shear behaviour of dry and partially wet granular material in the shear cell. Large size glass beads were used to speed up the computational time and to facilitate characterisation at the particle scale. First, the influence of the microscopic properties of the particle (The Young’s modulus and the sliding friction) on the macroscopic properties of dry and wet granular materials (the coordination number, the voidage fraction, the shear ratio and the velocity of particles) was investigated. Secondly, the shear behaviour of the partially wet granular material for different liquid fractions and normal stresses was studied. The capillary forces and the number of liquid bridges were quantitatively analysed.

Les discontinuités granulaires dans les ouvrages hydrauliques ou dans leur fondation constituent une source majeure d’instabilités à l’origine des phénomènes d’érosion. L’érosion interne est ainsi définie comme une migration de particules engendrée par un écoulement interne parasite, dans un sol ou dans un ouvrage en terre. A long terme, les conséquences de cette migration peut affecter la stabilité des ouvrages et peut même conduire à leur rupture. La sécurité des ouvrages en terre dépend principalement de la performance de leurs filtres, c’est-à-dire de la capacité du filtre, mis en interne en phase de conception ou en externe en phase de réparation, à retenir les particules fines. L’espace poral d’un filtre granulaire est divisé en volumes élémentaires, appelés pores, reliés entre eux par des étranglements plus étroits appelés constrictions. Des recherches récentes ont montré que la distribution des tailles de constriction (CSD) joue un rôle fondamental dans la compréhension des propriétés de filtration des sols granulaires. Ce travail vise à étudier la CSD et son impact sur les mécanismes de filtration dans les matériaux granulaires. Pour atteindre cet objectif, deux approches ont été suivies dans ce travail: l’une numérique et l’autre analytique. Dans le cas des matériaux de forme sphérique, la méthode des éléments discrets (DEM) permet de calculer la CSD en s’appuyant sur une partition de Delaunay en tétraèdres. Cependant, une CSD plus réaliste peut être obtenue par association des tétraèdres voisins selon un critère basé sur le chevauchement de leurs sphères de vide inscrites. A partir de cette considération et en se basant sur les modèles analytiques existants, un modèle révisé est proposé pour obtenir rapidement la CSD. Les échantillons DEM générés sont ensuite utilisés pour examiner le potentiel de transport des particules fines à travers un filtre d’épaisseur donnée. Les résultats des essais de filtration numériques menés ont montré une corrélation entre la CSD et la possibilité de migration des particules fines. En conséquence, une formule analytique a été proposée pour calculer le diamètre d’ouverture de contrôle des filtres granulaires. Cette taille caractéristique qui prend en compte la granulométrie et la densité du matériau granulaire, a été introduite dans un critère de filtre construit sur la base de la CSD, en vue de le représenter de manière plus physique. Le critère proposé reproduit correctement des résultats expérimentaux rapportés dans la littérature. / The granular discontinuities in hydraulic structures or in their foundation constitute a major source of instabilities causing erosion phenomena, process by which finer soil particles are transported through the voids between coarser particles, under seepage flow. In the long term, the microstructure of the soil will change and the excessive migration become prejudicial to the stability of the structures and may also induce their failure. The safety of earth structures is mainly dependent on the reliability of their filter performance, i.e. the ability of the filter placed inside the structure during construction or outside during repair, to retain fine particles. Indeed, the void space of a granular filter is divided into larger volumes, called pores, connected together by throats or constrictions. Recent researches showed that the distribution of throats (Constriction Size Distribution or CSD) between pores plays a key role to understand the filtration properties of a granular soil. This research is devoted to investigate the constriction sizes and their impact on the mechanisms of filtration in granular spherical materials. To achieve this objective, two approaches were followed in this work: numerical and analytical approaches. In the case of spherical materials, the Discrete Element Method (DEM) can help to compute the CSD using the Delaunay tessellation method. However, a more realistic CSD can be obtained by merging adjacent Delaunay cells based on the concept of the overlap of their maximal inscribed void spheres. Following this consideration and by extending the previously developed analytical models of CSD, a revised model is proposed to quickly obtain the CSD. The DEM data generated are then used to explore the potential of transport of fine particles through a filter of a given thickness by means of numerical filtration tests. A correlation has been found between the CSD and the possibility of migration of fine grains. Accordingly, an analytical formula has been proposed to calculate the controlling constriction size of a filter material. This characteristic size, which takes into account the particle size distribution (PSD) and the density of the material, has been used to reformulate a constriction-based criterion in a more physical manner. The proposed filter design criterion is verified based on experimental data from past studies and a good agreement has been found.

Une technologie prometteuse pour répondre à la demande croissante en énergie renouvelable est la gazéification de biomasse lignocellulosique pour la production de biocarburants de deuxième génération. Ce procédé nécessite une alimentation en biomasse sous forme de poudre. Les problèmes de convoyage et de manipulation liés à la faible coulabilité de la biomasse broyée sont un verrou pour l’industrialisation des procédés BtL. La torréfaction comme procédé de prétraitement, en plus d'augmenter densité énergétique de la biomasse, peut influencer également les propriétés des particules obtenues après broyage, et en conséquence, l’écoulement des poudres. L'évaluation de l'écoulement des poudres de biomasse sous différentes conditions de consolidation est essentielle pour concevoir des technologies de manipulation et de convoyage efficaces.L'objectif de ce travail est d'évaluer l'effet des conditions de torréfaction et de broyage sur l’écoulement de poudres de biomasse. Une première partie consiste en une étude expérimentale dans laquelle la coulabilité d'échantillons torréfiés sous différentes intensités a été évaluée à l'aide d'un appareil de cisaillement annulaire. La coulabilité est corrélée à l'intensité de la torréfaction (mesurée par la perte de masse globale) pour deux essences différentes. La forme des particules semble être le paramètre qui influence de manière prédominante la coulabilité des poudres à l'état consolidé. La caractérisation de la coulabilité à l’état non consolidée a été effectuée à l'aide d'un tambour rotatif par l’analyse des avalanches des poudres. Des corrélations entre les caractéristiques des particules et la coulabilité sont ainsi établies. La modélisation de l'écoulement de la biomasse à l'aide de la Méthode des Éléments Discrets (DEM) constitue une deuxième partie de cette recherche. La taille submillimétrique des particules de biomasse, ainsi que leur faible densité, leur forme allongée et leur comportement cohésif sont des défis pour l’implémentation d’un modèle de réaliste d’écoulement particulaire en DEM. Un modèle DEM des particules de biomasse est mis en œuvre à l'aide d'une représentation simplifiée (assemblement de sphères) à gros grains de la forme des particules, ainsi que d'un modèle de force cohésif. Une procédure systématique de calibration des paramètres DEM permet d'obtenir un ensemble de paramètres ajustés. L'évolution expérimentale des contraintes de cisaillement d’une poudre dans un état consolidé peut alors être reproduite de façon réaliste. De même, le comportement d’avalanche des poudres dans un tambour tournant est également bien reproduit par les simulations, de façon qualitative et quantitative. Ces résultats mettent en évidence le potentiel des simulations DEM pour étudier l'effet des caractéristiques des particules, qui sont influencées par la torréfaction et les conditions de broyage, sur le comportement d'écoulement de la biomasse en poudre. / Gasification of lignocellulosic biomass for production of second-generation biofuels is a promising technology to meet renewable energy needs. However, feeding and handling problems related to the poor flowability of milled biomass considerably hinder the industrial implementation of Biomass-to-Liquid processes. Torrefaction as pretreatment step, in addition to improving energy density of biomass, also affects the properties of the milled particles (namely size and shape) that significantly influence flow behavior. The evaluation of biomass flow characteristics under different flow conditions is essential to design efficient and trouble-free handling solutions.The aim of this work is to assess the effect of the torrefaction and grinding conditions on the biomass flow behavior. A first part consists of an experimental study in which the flow properties of samples torrefied under different intensities were obtained using a ring shear tester. Flowability is correlated to the intensity of torrefaction, as measured by the global mass loss, for two different wood species. Particle shape seems to be the predominant parameter influencing flowability of powders in a consolidated state. Characterization of non-consolidated flowability through avalanching analysis using an in-house rotating drum was also conducted. Correlations between particle characteristics and flow behavior are thus established.The modelling of biomass flow using the Discrete Element Method (DEM) constitutes a second major part of this research. Challenging aspects of biomass particle modeling are their submillimetric size, low density, elongated shape and cohesive behavior. A material DEM model is implemented using a simplified (multisphere) upscaled representation of particle shape, along with a cohesive contact model. A systematic calibration procedure results in an optimal set of DEM parameters. The experimental shear stress evolution and yield locus can then be realistically reproduced. The avalanching behavior of the powders is also well captured by simulations, both qualitatively and quantitatively. These results highlight the potential of DEM simulations to investigate the effect of particle characteristics, which are driven by torrefaction and grinding conditions, on the flow behavior of powdered biomass.

Zur Funktionsentwicklung und Prozessoptimierung im Bereich Getreideerntetechnik werden verstärkt numerische Berechnungsverfahren wie CFD und DEM eingesetzt. Die Kopplung beider Verfahren im Allgemeinen, sowie die Simulation des Entmischungsprozesses von Korn und Nichtkornbestandteilen in der Reinigungsanlage des Mähdreschers im Speziellen, setzen hohes Prozessverständnis als auch eine strategische Vorgehensweise bei der Prozessabstraktion, der Modellierung der Partikel und der Partikelinteraktion als auch der Wechselwirkung zwischen Partikel und strömender Luft voraus. Im Vortrag wird zunächst die Notwendigkeit und der Nutzen der Simulation im Bereich Erntetechnik diskutiert. Danach erfolgt die Beschreibung der Abstraktion des Entmischungsprozesses von Korn und Nichtkornbestandteilen. Es werden numerische als auch experimentelle Untersuchungen zur Modellierung und Parametrierung der stark nicht-sphärischen biogenen Partikel beschrieben. Besonderes Augenmerk liegt auf der speziellen Untersuchung der Wechselwirkungen und Abhängigkeiten von Partikeleigenschaften. Anschließend werden die Ergebnisse numerischer und experimenteller Untersuchungen des Entmischungsprozesses diskutiert: In einem ersten Schritt erfolgt die Entmischung in einem kleinen, vertikal schwingenden, luftdurchströmten Behälter. Hier werden umfangreiche Parameterstudien und Sensitivitätsanalysen durchgeführt. In einem zweiten Schritt wird die Entmischung in einem in der Breite reduzierten Segment einer Mähdrescherreinigungsanlage durchgeführt. Stets erfolgt der kritische Vergleich zwischen Simulation und Experiment anhand prozessspezifischer Kenngrößen wie Kornverlust, Abscheideeffizienz, Transportgeschwindigkeit u.a. / Numerical simulation methods such as CFD and DEM are increasingly being used for function development and process optimization in the field of grain harvesting technology. The coupling of both methods in general, as well as the simulation of the separation process of grain and non-grain components in the cleaning device of a combine harvester in particular, requires a high level of process understanding as well as a strategic approach to process abstraction, modeling of the particles and particle interaction as well as the interaction between particles and moving air. The speech first discusses the necessity and benefit of simulation in the field of harvesting technology. This is followed by the description of the abstraction of the separation process of grain and non-grain components. Numerical and experimental studies on modeling and parameterization of the strongly non-spherical biogenic particles are described. Particular attention is paid to the special investigation of the interactions and dependencies of particle properties. The results of numerical and experimental investigations of the separation process are then discussed: In a first step, the separation takes place in a small, vertically oscillating, air-flooded box. Extensive parameter studies and sensitivity analyzes are carried out here. In a second step, the separation is carried out in a segment of a combine cleaning device that is reduced in width compared to real width. The critical comparison between simulation and experiment is always carried out using process-specific parameters such as grain loss, separation efficiency, transport speed, etc.