This study addresses the design challenges of a proposed Micro Pulse Detonation Engine (MPDE), a micropropulsion system devised to meet the needs of smallsats . It focusses in particular on one subsystem of the proposed MPDE, the explosive delivery system, hereafter refered to as an ejector of granular materials. This study has three major goals: (1) evaluate different ways of building ejectors of granular materials in space, (2) propose a design for an ejector of granular materials that could eventually be used to achieve ejection rates of 10 kHz, and (3) evaluate the new designs performance. We thus begin by reviewing devices that have been built or proposed in the past for ejecting granular materials. Finding them lacking for the objectives of the present project, we evaluate several other different ways of achieving granule ejection in the zero gravity environment of space, based on other previous work with granular materials generally. We conclude that the artificial gravity induced within a spinning apparatus provides for many of the design requirements in a way that none of the other options do. We then go on to discuss the novel challenges a rotating ejector of solids faces, and propose a way of overcoming them. We present the design of the simplest concept we could come up with to achieve controlled ejection from the rotating device. Finally, the performance of this system is evaluated experimentally, using glass ballotini as the granular material. We find that we are able to demonstrate an ejection rate of 50 ejections per second with the device rotating at 10 rotations per second, with the possibility of attaining even higher ejection rates at higher rotational velocities. We conclude that this device demonstrates that there is a very great likelihood that future designs based closely on it will be able to achieve the desired 10 kHz ejection rate, which is the highest ejection rate at which the proposed MPDE can operate while remaining in the higher efficiency vacuum mode.

Nous étudions expérimentalement l'effondrement d'une colonne granulaire dans un liquide visqueux. Contrairement au cas sec, la morphologie des dépôts n'est principalement plus contrôlée par le rapport d'aspect initial du tas mais par la fraction volumique initiale de la masse granulaire. Deux régimes différents sont identifiés selon l'empilement initial. L'empilement lâche donne lieu à des dépôts minces et longs et la dynamique est rapide. Une surpression du liquide est mesurée sous de la colonne. Pour l'empilement dense, l'étalement final est deux fois moindre, le mouvement est lent et une dépression interstitielle est mesurée. Ces observations suggèrent que la dynamique de l'effondrement granulaire dans un fluide est fortement affectée par le comportement de la dilatance du milieu granulaire.Nous développons ensuite un modèle théorique basé sur des équations diphasiques moyennées dans l’épaisseur prenant en compte les mécanismes de dilatance. L’étude dimensionnelle de notre modèle permet de montrer que l’effondrement d’une colonne est contrôlé par trois paramètres sans dimension : le rapport d’aspect de la colonne, la fraction volumique initiale, et le nombre de grains dans l’épaisseur. On montre également que le temps caractéristique met en compétition le frottement visqueux et la gravité.De ce modèle, nous développons un algorithme de résolution lagrangien. Cette approche, grossière mais robuste, permet d’implanter s sans trop de difficulté. Le code est validé sur des configurations simples sur plan incliné avant de simuler l’effondrement de colonnes granulaires immergées dans la même gamme de paramètres que nos expériences. / Nous étudions expérimentalement l'effondrement d'une colonne granulaire dans un liquide visqueux. Contrairement au cas sec, la morphologie des dépôts n'est principalement plus contrôlée par le rapport d'aspect initial du tas mais par la fraction volumique initiale de la masse granulaire. Deux régimes différents sont identifiés selon l'empilement initial. L'empilement lâche donne lieu à des dépôts minces et longs et la dynamique est rapide. Une surpression du liquide est mesurée sous de la colonne. Pour l'empilement dense, l'étalement final est deux fois moindre, le mouvement est lent et une dépression interstitielle est mesurée. Ces observations suggèrent que la dynamique de l'effondrement granulaire dans un fluide est fortement affectée par le comportement de la dilatance du milieu granulaire.Nous développons ensuite un modèle théorique basé sur des équations diphasiques moyennées dans l’épaisseur prenant en compte les mécanismes de dilatance. L’étude dimensionnelle de notre modèle permet de montrer que l’effondrement d’une colonne est contrôlé par trois paramètres sans dimension : le rapport d’aspect de la colonne, la fraction volumique initiale, et le nombre de grains dans l’épaisseur. On montre également que le temps caractéristique met en compétition le frottement visqueux et la gravité.De ce modèle, nous développons un algorithme de résolution lagrangien. Cette approche, grossière mais robuste, permet d’implanter s sans trop de difficulté. Le code est validé sur des configurations simples sur plan incliné avant de simuler l’effondrement de colonnes granulaires immergées dans la même gamme de paramètres que nos expériences.

Dans le présent travail, nous étudions l'impact sur un obstacle rigide d'un écoulement transitoire à surface libre de fluide viscoplastique. Cette étude est conduite numériquement à l'aide de la méthode SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics), en y intégrant le modèle rhéologique de Herschel-Bulkley. Le code employé est adapté à nos besoins et validé sur des cas test classiques. Les caractéristiques locales de l'écoulement à proximité de l'obstacle sont analysées et deux régimes d'impact sont mis en évidence en fonction de la pente d'écoulement. L'étude des pressions exercées sur l'obstacle, conduite spatialement et temporellement en fonction de ces régimes d'impact, nous permet de mettre en évidence les rôles respectifs des composantes gravitationnelle et cinétique de la pression. Nos résultats sont comparés systématiquement à des résultats expérimentaux issus de travaux précédents et sont cohérents avec ces derniers. Une étude comparative de nos écoulements de fluide viscoplastique avec des écoulements de matériau granulaires de propriétés similaires nous conduit à mettre en évidence des caractéristiques communes entre les deux matériaux. / In this work, we study the impact of a transient free-surface flow of viscoplastic fluid on a rigid obstacle. This study is conducted numerically using the SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) method, and the Herschel-Bulkley rheological model. The SPH code is adapted to our needs and validated on classic benchmarks. The local characteristics of the flow near the obstacle are analysed and two impact regimes are highlighted depending on the slope angle. By studying of the pressure exerted on the obstacle, both spatially and temporally, with regards to these impact regimes, we evidence the respective roles of the gravitational and kinetic components of the pressure. Our results are systematically compared with experimental data from a previous work and are shown to be consistent. A comparative study conducted on both our viscoplastic flows and flows of granular material of similar properties highlights common characteristics of the two materials.

Dans le présent travail, nous étudions l'impact sur un obstacle rigide d'un écoulement transitoire à surface libre de fluide viscoplastique. Cette étude est conduite numériquement à l'aide de la méthode SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics), en y intégrant le modèle rhéologique de Herschel-Bulkley. Le code employé est adapté à nos besoins et validé sur des cas test classiques. Les caractéristiques locales de l'écoulement à proximité de l'obstacle sont analysées et deux régimes d'impact sont mis en évidence en fonction de la pente d'écoulement. L'étude des pressions exercées sur l'obstacle, conduite spatialement et temporellement en fonction de ces régimes d'impact, nous permet de mettre en évidence les rôles respectifs des composantes gravitationnelle et cinétique de la pression. Nos résultats sont comparés systématiquement à des résultats expérimentaux issus de travaux précédents et sont cohérents avec ces derniers. Une étude comparative de nos écoulements de fluide viscoplastique avec des écoulements de matériau granulaires de propriétés similaires nous conduit à mettre en évidence des caractéristiques communes entre les deux matériaux. / In this work, we study the impact of a transient free-surface flow of viscoplastic fluid on a rigid obstacle. This study is conducted numerically using the SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) method, and the Herschel-Bulkley rheological model. The SPH code is adapted to our needs and validated on classic benchmarks. The local characteristics of the flow near the obstacle are analysed and two impact regimes are highlighted depending on the slope angle. By studying of the pressure exerted on the obstacle, both spatially and temporally, with regards to these impact regimes, we evidence the respective roles of the gravitational and kinetic components of the pressure. Our results are systematically compared with experimental data from a previous work and are shown to be consistent. A comparative study conducted on both our viscoplastic flows and flows of granular material of similar properties highlights common characteristics of the two materials.

Ce travail est financé par le fond européen Interreg VA (projet "PowderReg"). L'optimisation du transport, du stockage et du mélange des dispersions granulaires passe par le contrôle de leur écoulement, par exemple en ajoutant des vibrations mécaniques. Ce travail permet d'apporter une meilleure compréhension de l'influence des vibrations sur la rhéologie apparente de dispersions granulaires modèles dans le régime quasi-statique. Des travaux expérimentaux et numériques sont réalisés afin de sonder les modifications de la dynamique locale ainsi que les hétérogénéités qui apparaissent lors de leur mise en écoulement. Deux géométries présentant des intérêts fondamentaux, géophysiques et industriels sont étudiées : la cellule de type Couette et le plan incliné. Dans un premier temps, des mesures iso-indice couplées à de la fluorescence induite par laser ont été réalisées sur des suspensions granulaires dans une cellule de type Couette sous vibrations. Les vibrations rendent la rhéologie locale en homogénéisant le système. Elles suppriment la contrainte seuil apparente et font apparaître un plateau Newtonien à bas gradient, intrinsèque à la dynamique locale qui est de nature diffusive. Il est apparu que le temps de réarrangement des particules, dépendant de l'intensité des vibrations, est relié au volume libre disponible autour de chaque particule. L'étude numérique de cette géométrie dans le cas d'une dispersion granulaire sèche a mis en évidence des résultats similaires. Dans un second temps, des écoulements de dispersions de grains secs sur un plan incliné vibrant ont été réalisés. Des travaux numériques sur cette même géométrie ont permis d'enrichir cette étude. Les résultats mettent en évidence l'existence de deux régimes sous vibrations. Le comportement dans le régime dominé par la gravité n'est pas influencé par les vibrations, et un profil de Bagnold est observé. Les vibrations permettent principalement de baisser la friction basale, influant alors la hauteur des dépôts. Dans le régime dominé par les vibrations, les écoulements sont déclenchés par les vibrations elles-mêmes. Il est apparu qu'elles induisent des fluctuations de vitesses, qui créées alors une température granulaire. Cette température permet d'activer les réorganisations à l'échelle de la particule, éliminant le seuil apparent responsable du blocage des écoulements et permettant leur contrôle au travers du taux de cisaillement / This work is funded by the European Founds Interreg VA ("PowderReg" project). The optimization of the transport, storage and mixture of granular dispersions involves their flow control, by adding mechanical vibrations, for example. The present work enables a better understanding of the influence of the vibrations on the apparent rheology of model granular dispersions in the quasi-static regime. Experimental and numerical studies were carried out in order to probe the modifications of the local dynamic and heterogeneities that appear during the flow. Two geometries, interesting for diverse applications in fundamental science, geophysics and industries, were studied: the Couette cell geometry and the inclined plane. In the first step, refractive-index matching technique, coupled to the planar laser induced fluorescence was used to make measurements in granular suspensions in a vibrated Couette cell geometry. Vibrations make the rheology local by homogenizing the system. They suppress the yield stress and result in the appearance of a Newtonian plateau at the low shear, intrinsic to the local dynamic, which is diffusive in nature. It appears that the rearrangement time of the particles, depending on the intensity of the vibrations, is linked to a free volume available around each particle. The numerical study of this geometry in the case of a dry granular dispersion shows similar results. In the second step, flows of dry granular dispersions down the inclined and vibrated plane were realized. This study was completed with a numerical work. The results demonstrated the existence of two distinct regimes under vibrations. The behavior in the gravity-driven regime is not affected by the vibrations and a Bagnold profile is observed. The vibrations mainly cause the decrease of the basal friction and thus influence the height of the deposits. In the vibration-driven regime, however, flows are triggered by the vibrations themselves. It appears that they induce velocity fluctuations that create a granular temperature. That temperature allows the activation of the reorganizations at the grain scale. This suppresses the apparent yield responsible for the flow jamming, and thus enables their control through the shear rate

Ce travail de thèse, de nature théorique, présente quatre axes de recherche portant sur la dynamique d'interfaces molles. (1) Gouttes et films de liquide sur substrats poreux : Nous avons étudié la déformation d'une goutte soumise simultanément à une aspiration de liquide et à un ancrage de sa ligne de contact avec le substrat. Nous nous sommes aussi intéressés au problème de l'entraînement d'un film de liquide sur une surface poreuse tirée hors d'un bain : le film a une hauteur finie, que nous avons calculée, et présente une structure non-triviale à l'approche de la ligne de contact. (2) Réticulation et interdiffusion à l'interface entre deux polymères : La formation de joints entre deux pièces de polymère nécessite une bonne interdiffusion des chaînes, qui peut cependant être considérablement contrariée lorsqu'un agent réticulant est introduit (dans le but de renforcer le matériau final). Nous avons modélisé la compétition qui s'installe, en montrant qu'il existait un paramètre de contrôle simple permettant d'optimiser le système et en donnant des prédictions sur l'énergie d'adhésion attendue dans deux régimes-limites. (3) Ecoulements granulaires : Nous donnons le scénario analytique complet du déroulement d'une avalanche sur un tas de sable, en tenant compte de l'effet d'un profil de vitesse linéaire dans la couche roulante. Parmi les prédictions, nous avons trouvé que l'épaisseur maximale devait varier comme la racine carrée de la taille de l'empilement. (4) Dynamique de films de savon verticaux : Les propositions actuelles concernant le mécanisme du drainage de ces films font appel à des instabilités hydrodynamiques se développant au bord du film ("régénération marginale"). Nous avons cherché à en déterminer précisément l'état précurseur : de manière générique, le profil forme une zone de striction, dont nous avons calculé analytiquement les dimensions typiques ; celle-ci pourrait rassembler les caractéristiques nécessaires à l'émergence des instabilités.

Les risques naturels tels que les laves torrentielles constituent des menaces réelles pourles zones urbanisées de montagne. Les bâtiments et infrastructures peuvent être exposésà de grandes forces d’impact en cas d’évènement extrême. La réduction de cette menace,par des ouvrages de protection, impose de quantifier l’impact de ces écoulements sur lesstructures, qu’elles soient flexibles ou rigides.Tout d’abord, un écoulement granulaire sec, composé de particules non-sphériquesglissant sur un plan incliné, est modélisé en utilisant une loi de contact visco-élastiqueavec critère de rupture de Mohr-Coulomb. Des données expérimentales de la littératureont été utilisé pour calibrer et valider le modèle. À cette fin, la forme de la particule,l’épaisseur de l’écoulement et la forme finale du dépôt sur le mur sont considerés. Lavalidation est basée sur l’impact sur un mur rigide divisé en six segments. La principalecontribution de la force totale normale appliquée sur le mur est due à la composantedynamiques. La distribution hétérogène de la force normale sur chaque partie du murest due au développement des chaînes de force différent pour chaque arrangement desparticules.Ensuite, un filet est modélisé en utilisant des éléments cylindriques. L’impact sur lefilet est modélisé en utilisant le même modèle d’écoulement que précédemment. Le rôledes dissipateurs d’énergie apparaît essentiel pour réduire la force d’impact sur le filet etlimiter la force appliquée sur les points d’ancrage latéraux.Pour la première fois, des simulations montrent que pour un même écoulementgranulaire la force d’impact est plus élevée pour un obstacle rigide, avec une différencede 50% par rapport à un obstacle flexible. les simulations permettent de définir quelquesrecommandation pour le dimensionnement des filets. Il est constaté que l’utilisationviiid’un maillage de filet plus petit que D90 de l’écoulement est acceptable en termes decapacité à retenir les matériaux en écoulement. En plus, si le câble en bas du filet n’estpas fixé, le filet pourrait perdre totalement sa capacité de retenue. / Natural hazards such as debris flows are real threat to the urbanization of mountainousareas. Local communities and infrastructures can be exposed to large impact forces inextreme debris events. Mitigation of such threats requires, along other measures, theestimation of the impact of such flows on protection structures (rigid walls and flexiblebarriers). In this thesis, Discrete Element Method (DEM) is used to model the granularflow, the rigid walls and flexible barriers.First, a dry granular flow made of non-spherical particles flowing in inclined plane ismodeled using a visco-elastic contact law with Mohr-Coulomb failure criterion. Experimentaldata from the literature is used to calibrate and validate the model. The modelis calibrated based on the shape of the particle, the flow thickness and the final shapeof the deposit on the wall. Validation procedure is based on the impact on a rigid walldivided into six segments. The main contribution of total normal force applied on thewall is found to be due to the dynamic component. On the micro-scale, development offorce chains is believed to cause heterogeneous distribution of normal force on each partof the wall, for multiple same-test conditions.Next, a flexible barrier is modeled using cylindrical elements. The impact on thebarrier is modeled using the same flow model used for wall-impact problem. The use ofenergy dissipators is found to be essential for minimizing the impact force on the barrier,and thus controlling the force applied on the lateral anchors.By comparing a rigid wall and a flexible barrier for the same flow, we found thatthe rigid wall is exposed to higher impact force, due its high global stiffness comparedwith the flexible barrier. Next, different simulations are carried out to recommend designguidelines for the flexible barrier. It is found that using a mesh size as large as D90 of theviflow is acceptable in terms of mass retaining capacity. In addition, not fixing the bottomcable of flexible barriers might lead to the total loss of its retaining capacity in extremeevents.