<p>Controllable continuous feeding of biomass feedstock in a biorefinery is critical to upscaling current ethanol conversion techniques to a commercial scale. Mechanical pretreatment of biomass feedstock performed using a compression feed screw (CFS) improves the ethanol yield but is subject to flowability issues, especially the plugging of biomass. The mechanical behavior, and hence, the flowability of biomass feedstock, is strongly affected by several factors, including preparation method, moisture content, physical composition, and particle size distribution. In addition, the current design of CFS is guided by limited experimentation and even fewer theoretical correlations. This thesis aims at developing computational methods to model the flow of densified feedstock in a CFS and experimental techniques to characterize the mechanical properties required for the model. We adopted a modified Drucker-Prager Cap constitutive (mDPC) law for milled corn stover (a widely used feedstock for bioethanol production) to model the material’s rate-independent bulk behavior in a CFS. The mDPC elastoplastic law captures the frictional shear and permanent volumetric changes in corn stover using a continuous porosity-dependent yield surface. The parameters of the mDPC model are calibrated using a unified set of single-ended die compaction and multiple shear failure tests. In addition, we quantified the changes in the mDPC parameters with moisture content up to the water-holding capacity of corn stover particles. A Coupled Eulerian-Lagrangian Finite Element Method model developed for the CFS geometry predicts the deformation of the material using the calibrated mDPC parameters. We model the interaction between the material and the CFS surface using a Coulomb wall friction coefficient calibrated using the Janssen-Walker method for a punch and die system. A laboratory-scale compression feed screw is designed and fabricated to characterize the flow of dense granular materials in collaboration with undergraduate students in the School of Mechanical Engineering. FEM model predictions of feeding torque and mass flow rate are validated against the laboratory-scale feeder for microcrystalline cellulose Avicel PH-200 and milled corn stover. The model predictions agree with the experiments for Avicel PH-200 but have a higher error in the case of corn stover. Some physical effects, such as shear hardening and particle erosion observed in milled corn stover, are not captured using the current implementation of the mDPC model, which explains the different model accuracies for both materials. The continuum model is used to uncover material density distribution, torque, and pressure inside the CFS, otherwise challenging through experiments. The FEM model showed a significantly higher sensitivity of the feeder performance to two material properties, namely the hydrostatic yield stress and the wall friction coefficient. The characterized variation of material properties with moisture content and the effect of each material property on the feeder performance provide strategies to engineer the feedstock for better flowability. Further, the continuum model offers a method to study design changes before manufacturing the equipment. Finally, we propose the possibility of a reduced-order analytical model based on the critical material properties and the material deformation mechanism demonstrated by the FEM model.</p>

<p dir="ltr">In the field of noise control engineering, the development of effective low-frequency sound absorption treatments has long been a challenge, since conventional solutions tend to require impractically thick layers of traditional porous materials, such as fibrous materials and foams. In contrast, high surface area particles, such as granular activated carbon (GAC) particles, milled aerogels, and zeolites, have inner-particle pores at micro and nano scales, which improve the low-frequency absorption by slowing the local sound speed. As a result, a 30 mm thick GAC stack can achieve an absorption coefficient of 0.3 at 100 Hz. Hence, these materials have already been used in various low-frequency applications in place of fibrous or foam layers: e.g., MEMS speaker back cavities, Helmholtz resonator liners, micro-perforated panel absorbers, and membrane absorbers. One major practical goal of this research was to determine how best to model and optimize novel treatments consisting in whole or in part of high surface area granular materials. </p><p dir="ltr">The detailed work presented in this thesis starts with a review of acoustical models of various material types, followed by two approaches to modeling and coupling different types of layers in a general and stable manner. In particular, in the second approach, a large, complicated system is divided into a series of small systems, hence avoiding the direct inverse solution of large systems. As a result, the second approach is more efficient and enables computationally intensive tasks such as multi-layer material characterization and sound package optimization. In addition to the modeling techniques, different types of granular stacks’ acoustical behavior were also experimentally investigated and summarized: i.e., 1. the edge-constraint effect resulting from the friction at the wall of the impedance tube; 2. level-dependent behavior; 3. time-dependent behavior; and 4. other non-linear behavior. To capture the observed acoustical physics of GAC stacks, a triple-porosity poro-elastic model with a depth-dependent modulus was described, followed by characterization frameworks to model the stacks subject to the edge-constraint effect as well as varying excitation levels. These frameworks were validated by comparing the absorption spectra predicted by using the inferred material properties with impedance tube measurements of GAC stacks with varying depths, diameters, and exposure levels. In the end, a novel sound absorption treatment was presented (a GAC stack supported by a soft, porous layer), which was subsequently optimized to develop broadband absorbers.</p>

Cette thèse traite de la modélisation et des méthodes numériques pour la simulation d'écoulements de fluides non-Newtoniens, et particulièrement, de matériaux granulaires. Une application de ce travail concerne les poudres de couverture utilisées pour protéger thermiquement le métal de l'air dans le procédé de coulée en source d'alliages métalliques. Ces poudres sont conditionnées dans des sacs disposés dans la lingotière, qui brûlent suite aux fortes chaleurs engendrées, et permettant son écoulement sur la surface du métal. Ainsi, la simulation numérique apparaît comme un puissant outil pour l'optimisation du procédé, et notamment, de l'étalement de ces poudres.Dans ce travail, une formulation éléments finis a été proposée pour modéliser l'écoulement multiphasique des matériaux granulaires dans un formalisme de la mécanique des milieux continus. Les équations associées sont résolues via des schémas numériques stabilisés, couplés avec la méthode Level-Set pour capturer et suivre le profil du matériau granulaire au cours de la simulation. Dans un premier temps, les outils numériques ont été testés sur des cas d'écoulements de fluides de Bingham, où les fortes non-linéarités sont traitées par une méthode de régularisation. Puis la formulation est étendue aux écoulements de granulaires secs, dont le comportement piezzo-dépendent est traduit par la loi mu(I). Le modèle a été validé sur des cas d'effondrement de colonnes de grains, et une étude de sensibilité aux conditions aux limites et constantes physiques du modèle est proposée.Enfin, des cas industriels de chutes de poudres sur substrats solide et métal fondu ont été menés, amenant à des premières pistes pour l'optimisation du procédé de coulée en lingotière. / This thesis is devoted to the modeling and numerical methods for the simulation of non-Newtonian flows, and focuses particularly on granular materials flows. This work is applied to molten powders aiming to ensure metal thermal protection from the air in ingot casting process of metallic alloys. These powders are conditionned into bags disposed into the mold, which burn due to high temperatures, and allowing the powder spreading onto the metal surface. Thus, numerical simulation appears as a powerful tool for the process optimization, and especially, for the powder spreading.In this work, a finite element formulation has been proposed for the modeling of granular multiphase flows, by a continuum approach. The associated equations are solved using stabilized numerical schemes, coupled with the Level-Set method to capture and follow the granular profile during the simulation. First, the numerical tools have been implemented for Bingham flows, by using regularization a method. Then, the formulation was extended to dry granular flows, by the use of the mu(I) rheology constitutive model for describing its pressure-dependent behavior. The model has been validated on granular collapses, and a sensitivity analysis to boundary conditions and physical constants has been proposed.Finally, industrial cases of powder chutes ontoboth solid and liquid metla substrates have been conducted, leading to preliminary solutions for the optimization of ingot casting process.

Cette thèse porte sur l'étude de milieux granulaires constitués de particules molles. Elle s'appuie d'une part sur la méthode de corrélation d'images numériques (DIC) et d'autre part sur des simulations associant la méthode des éléments finis (FEM) et la méthode de Dynamique des Contacts (CD) permettant de tenir compte de la déformabilité élevée des particules et des interactions entre particules. Pour une large gamme de matériaux complexes (élastique, plastique et mousse solide), l'étude préliminaire de particules uniques comprimées radicalement valide la technique de DIC pour les mesures des champs de déformation, et pour la détermination de l'énergie de déformation pour des matériaux élastiques. Des grandeurs macroscopiques et micro-structurales tels que la compacité, la coordinence, l'énergie élastique, la densité de la probabilité de force de contact ainsi que de la densité d'énergie sont mesurées, et comparées entre les résultats numériques et expérimentaux en particulier dans le régime où les déformations des particules sont d'amplitudes finies. L'accord quantitatif entre ces approches permet de valider à la fois la méthode expérimentale pour l'étude de milieux granulaires à particules déformables, et d'autre part l'approche numérique. Forts de ces résultats, nous avons mené une étude numérique de la compression uniaxiale d'un assemblage de cylindres Néo-Hookéens. L'effet du frottement sur les paramètres macroscopiques et mico-structuraux est déterminé, y compris lorsque la compacité du système est proche de 100% / This thesis deals with the study of granular media composed of soft particles. It relies on the one hand on the method of Digital Image Correlation(DIC) and on the other hand, on simulations coupling the Finite Element Method and the Contact Dynamics method, taking into account the high deformability of particles and interactions between particles. For a wide range of complex materials (elastic, plastic and solid foam), the preliminary study of radially compressed single particles validates the DIC technique for strain field measurements, and for the determination of the strain energy for elastic materials. Macroscopic and micro-structural quantities such as packing fraction, coordination, elastic energy, probability density of the contact force as well as strain energy density, are measured and compared between the numerical and experimental results in particular in the regime where the deformations of the particles are large. The quantitative agreement between these approaches makes it possible to validate both the experimental method for the study of granular media with deformable particles, and the numerical approach. Based on these results, we conducted a numerical study of the uniaxial compression of a Neo-Hookean cylinder assembly. The effect of friction on the macroscopic and mico-structural parameters is determined, even when the packing fraction of the system is close to 100%.

In dieser Dissertation wird erstmalig ein theoretisches Fundament zur Beschneiung virtueller Szenen entwickelt. Das theoretische Fundament wird als analytisches Modell in Form einer Diffusionsgleichung formuliert. Aus dem analytischen Modell lässt sich eine Gruppe von Algorithmen zur Beschneiung virtueller Szenen ableiten. Eingehende Voruntersuchungen zur allgemeinen Modellierung natürlicher Phänomene in der Computergraphik sowie eine Klassifikation der bestehenden Literatur über mathematische Schneemodellierung bilden den Anfang der Arbeit. Aus der umfassenden Darstellung der Eigenschaften von Schnee, wie er in der Natur vorkommt, ergeben sich die Grundlagen für die Modellbildung. Die Modellbildung fußt auf den grundlegenden Ansätzen der klassischen Mechanik und der statistischen Physik. Für die Beschneiung auf visueller Skala erweist sich der Diffusionsprozess als geeignete Beschreibung. Mit der Beschreibung lassen sich diffusiv Schneeoberflächen erzeugen. Der konkrete computergraphische Wert des theoretischen Fundaments wird anhand zweier Implementierungen exemplarisch dargestellt, und zwar in der Distanzfeldmethode und der Diffusionskernmethode. Die Ergebnisse werden mithilfe dreidimensionaler Rauschtexturen und Alpha-Masken an den Rändern fotorealistisch visualisiert. / In this dissertation for the first time a theoretical foundation is developed for snow accumulation in virtual scenes. The theoretical foundation is formulated in an analytical model as diffusion equation. The analytical model leads to a group of algorithms for virtual snow accumulation. Comprehensive investigations for the modelling of natural phenomena in computer graphics in general are used to develop a method classification scheme. Another classification is given for an overview over the aspects of snow in the real world. This allows an efficient presentation of related literature on snow modelling. A new approach of snow modelling is then drawn from first principles of classical mechanics and statistical physics. Diffusion processes provide an efficient theoretical framework for snow accumulation. The mathematical structure of diffusion equations is discussed and demonstrated to be adequate to snow modelling in visual scales. The value of the theoretical foundation for computer graphics is demonstrated with two exemplary implementations, a distance field method and the diffusion kernel method. Results are visualized with 3D noise textures and alpha masks near borders delivering photorealistic snow pictures.

Les situations où deux fluides non miscibles sont présents dans un matériau granulaire déformable sont largement rencontrées dans la nature et dans de nombreux domaines de l'ingénierie et de la science. Comprendre l'évolution de tels systèmes multiphases nécessite la connaissance de toutes les phases, leur distribution et interactions. Un modèle micro-hydromécanique couplé est présenté dans cette thèse sur la base de travaux précédents, visant à simuler le drainage quasi-statique de matériaux granulaires déformables. Il combine une approche de type réseau de pores et la méthode des éléments discrets (DEM) pour les fluides et les grains respectivement. Un critère local de mouvement d'interfaces fluides est établi, afin d'approximer au mieux le rôle de la géométrie porale sur les phénomènes capillaires et notamment les forces exercées sur les grains solides à l'intérieur de chaque pore. Une attention particulière est dédiée aux événements de piégeage du fluide drainé et à l'invasion préférentielle le long des bords du domaines. Le modèle est valide par la comparaison avec des résultats expérimentaux (courbes de rétention d'eau). Nous appliquons le modèle pour étudier deux questions: (1) les effets de taille finie et à la question du volume élémentaire représentatif (REV); (2) le paramètre de contrainte effective de Bishop et la relation entre contrainte effective macroscopique contrainte de contact micromécanique. Finalement, une extension du modèle au régime pendulaire est présentée et des premiers résultats sont présentés et discutés. / The situation of two immiscible fluids through a deformable granular material is widely encountered in nature and in many areas of engineering and science. To understand the physical evolution of the multiphase system is of great importance for the applications. It requires the knowledge of all component phases, their distribution and interactions. A pore-scale coupled hydromechanical model is presented in this thesis based on previous work, aiming at simulating the quasi-static drainage of a deformable granular materials. The model combines a pore network approach and the discrete element method (DEM) for the fluids and grains, respectively. A local criterion for determining the local movements of the fluids interfaces established to approximate the role of the local pore geometry on capillarity and namely on the forces exerted on the solid grains inside each pore. Special attentions have been paid to the entrapment events of the receding fluid and to the preferential invasion along the boundaries. The model is validated through comparisons with experimental results (water retention curves). We apply the model for examining two issues: (1) finite size effects and the concept of representative elementary volume (REV); (2) Bishop's effective stress parameter and to the relationship between macro-scale effective stress and micro-scale contact stress. Finally, an extension to the pendular regimes is proposed and first results are presented and analyzed.

Les matériaux granulaires multiphasiques occupent une place très importante dans notre environnement qui suscitent un grand intérêt de nombreuses communautés scientifiques, notamment celles de la mécanique des sols ou de la géotechnique. Le caractère divisé permet les milieux granulaires multiphasiques d'avoir un comportement mécanique global qui trouve leur origine, leur distribution et interactions entre les phases de composition. Un modèle de couplage hydromécanique est présenté dans ce travail de thèse pour l'application à la modélisation microscopique des couplages hydromécaniques dans les matériaux granulaires saturés. Le modèle numérique est basé sur un couplage de la méthode des éléments discrets (DEM) avec une formulation en volumes finis, à l'échelle des pores (PFV), du problmème de l'écoulement d'un fluide visqueux incompressible. Le solide est modélisé comme un arrangement de particules sphériques avec des interactions de type élasto-plastique aux contacts solide-solide. On considère un écoulement de Stokes incompressible, en supposant que les forces inertielles sont négligeables par rapport aux forces visqueuses. La géométrie des pores et leur connectivité sont définies sur la base d'une triangulation régulière des sphères, qui aboutit à un maillage tétrahédrique. La définition des conductivités hydrauliques à l'échelle des pores est un point clef du modèle, qui se rapproche sur ce point à des modèles de type pore-network. Une importance particulière réside dans les lois d'interactions fluide-solide permettant de déterminer des forces de fluide appliquées sur chacune des particules, tout en assurant un coût de calcul acceptable pour la modélisation en trois dimensions avec plusieurs millieurs des particules. Des mesures de perméabilités sur des assemblages bidisperses de billes de verre sont présentées et comparées aux prédictions du modèle et aux formules empiriques/semi-empiriques dans la littérature, ce qui valide la définition de la conductivité locale et met en évidence le rôle de la distribution granulométrique et la porosité. Une approche numérique pour analyser l'interaction mécanique fluide-solide et les mécanismes d'érosion interne est finalement présentée. / Multiphase granular materials occupy a very important place in our environment that are of great interest to many scientific communities, including those of soil mechanics or geotechnical engineering. The divided nature allows multiphase granular media to have a global mechanical behaviour which originates from all component phases, their distribution and interactions. Acoupled hydromechanical model is presented in this work for the application to microscopic modeling of coupled hydromechanical in saturated granular materials. The numerical model uses a combination of the discrete element method (DEM) with a pore-scale finite volume (PFV) formulation of flow problem of an incompressible viscous fluid. The solid is modeled as an assembly of spherical particles, where contact interactions are governed by elasto-plasticrelations. Stokes flow is considered, assuming that inertial forces are small in comparison with viscous forces. Pore geometry and pore connections are defined locally through regular triangulation of spheres, from which a tetrahedral mesh arises. The definition of pore-scale hydraulic conductivities is a key aspect of this model. In this sense, the model is similar to a pore-network model. The emphasis of this model is, on one hand the microscopic description of the interaction between phases, with the determination of the forces applied on solid particles by the fluid, on the other hand, the model involves affordable computational costs, that allow the simulation of thousands of particles in three dimensional models. Permeability measurements on bidispersed glass beads are reported and compared with model predictions and empirical formulas/semi-empirical in the literature, validating the definition of local conductivities and bringing out the role of particle size distribution and porosity. A numerical approach to analyze the fluid-solid mechanical interaction and mechanisms of internal erosion is finally presented.

<p align="justify">Ce travail consiste à étudier des systèmes constitués par un grand nombre de grains, auxquels de l’énergie cinétique est fournie, et à étudier leurs similarités et leurs différences avec des fluides traditionnels. Je me concentre principalement sur la nature de non-équilibre de ces fluides granulaires, en montrant que, même si les méthodes de méchanique statistique y sont applicables, leurs propriétés sont très différentes de celles de systèmes à l’équilibre ou proches de l’équilibre :</p><p><p><ul><li>Les fluides granulaires présentent des phénomènes de transport qui n’ont pas d’équivalent dans des fluides moléculaires, tels qu’un couplage spécifique entre flux de chaleur et gradient de densité.<p><li>Leur distribution de vitesse est en général différente de la distribution de Maxwell-Boltzmann, et présente une surpopulation pour les grandes vitesses. <p><li>Dans le cas de mélanges, différentes espèces de grains sont en général caractérisées par des énergies cinétiques différentes, i.e. ces systèmes sont sujet à une non-equipartition de leur énergie.<p><li>Ces fluides ont tendance à former des inhomogénéités spatiales spontanément. Cette propriété est illustrée en étudiant l’expérience du Demon de Maxwell appliquée aux systèmes granulaires.</ul><p><p align="justify">Chacune de ces particularités est discutée en détail dans des chapitres distincts, où l’on applique différentes méthodes de méchanique statistique (équation de Boltzmann, transition de phase, mean field models…) et où l’on vérifie les prédictions théoriques par simulations numériques (MD, Monte Carlo…).</p> / Doctorat en sciences, Spécialisation physique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le travail réalisé durant cette thèse a été motivé par l'étude des mécanismes microscopiques à l'origine du fluage dans les matériaux granulaires.%En particulier, on cherche à explorer des techniques expérimentales et numériques pour l'étude d'un tel phénomène.Dans une première partie, on cherche à mesurer les déplacements des grains dans un matériau granulaire par observations en micro-tomographie X. Une telle identification ne peut être efficacement réalisée pour des phénomènes rapides avec les méthodes classiques de corrélation d'images numériques. Une nouvelle méthode nommée emph{corrélation discrète des projections numériques} qui contourne cette difficulté est développée dans cette thèse. Cette méthode, basée sur la corrélation des projections de tomographie, permet de mesurer les déplacements avec un nombre réduit de projections (100 fois moins que les méthodes classiques), ce qui diminue énormément le temps d'acquisition nécessaire pour la mesure. La méthode, appliquée à des données expérimentales, donne une précision comparable à celles des méthodes classiques tandis que le temps d'acquisition nécessaire est réduit à quelques minutes. Une étude portant sur l'analyse des sources d'erreurs affectant la précision des résultats est également présentée.Le but de la deuxième partie est de réaliser des simulations numériques pour fournir une caractérisation de l'essai oedométrique. Différents assemblages de billes de verre légèrement poly-disperses interagissant à travers des contacts élastiques de Hertz-Mindlin et frottement de Coulomb ont été utilisés. Ces simulations ont permis d'étudier l'évolution de certains paramètres structuraux du matériau modèle, préparant ainsi le terrain pour de futures études sur le fluage. Il a été particulièrement souligné que les contacts élastiques utilisés dans ces simulations ne reproduisent pas l'irréversibilité des déformations observée dans les expériences sur des sables. Cependant, l'irréversibilité est bien visible sur le nombre de coordination et l'anisotropie. Alors que les paramètres élastiques peuvent exprimer la réponse pour des petits incréments de déformations, la compression oedometrique est belle et bien anélastique, principalement à cause de la mobilisation du frottement. Le rapport entre les contraintes horizontales et verticales (coefficient du sol au repos) n'est particulièrement constant que lorsque l'anisotropie de structure est instaurée dans l'état initial de l'assemblage. Il est par ailleurs relié à l'anisotropie interne de la structure par une formule simple. Finalement, les coefficients du tenseur élastique dépendent principalement du nombre de coordination et son anisotropie est plus liée à l'anisotropie des contacts qu'à celle des forces / The present work is motivated by the study of creep in granular materials at the microscopic scale.The first part of this thesis deals with displacement measurements by microtomography. Classical digital image correlation fails to catch time-dependent (possibly fast) phenomena such as short-term creep. A new method named emph{Discrete Digital Projection Correlation} is developed to overcome this limitation. This method requires very few projections (about 100 times less than classical methods) of the deformed state to perform the correlation and retrieve grain displacements. Therefore, the acquisition time is remarkably reduced, which allows to study time-dependent phenomena.The method is tested on experimental data. While its accuracy compares favorably to that of conventional methods, it only requires acquisition times of a few minutes. The origins of measurement errors are tracked by numerical means, on simulated grain displacements and rotations.The second part is a numerical simulation study, by the Discrete Element Method (DEM), of oedometric compression in model granular materials, carried out with a simple model material: assemblies of slightly polydisperse spherical beads interacting by Hertz-Mindlin contact elasticity and Coulomb friction. A wide variety of initial states are subject to compression, differing in density, coordination number and fabric anisotropy. Despite apparently almost reversible strains, oedometric compression proves an essentially anelastic and irreversible process,due to friction, with important internal state changes affecting coordination number and anisotropy. Elastic moduli only describe the response to very small stress increments about well equilibrated configurations. The ratio of horizontal stress to vertical stress (or coefficient of earth pressure at rest, commonly investigated in soil mechanics) only remains constant for initially anisotropic assemblies. A simple formula relates it to force and fabric anisotropy parameters, while elastic moduli are mainly sensitive to the latter. Further studies of contact network instabilities and rearrangements should pave the way to numerical investigations of creep behavior

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