Ce travail de thèse est dédié au développement d’un modèle numérique prédictif du comportement de tissu sec soumis à l’impact à haute vitesse. La capacité d’un modèle numérique à prédire au plus juste des performances balistiques d’un tissu est étroitement liée à la bonne représentation des énergies en jeu et de la dynamique de rupture des plis. Parmi les différentes stratégies adoptées pour modéliser un tissu, les modèles mésoscopiques sont les plus populaires du fait de leur capacité à représenter fidèlement l’évolution de l’impact combinée à un coût de calcul raisonnable ; les torons sont alors traités comme des milieux continus.Pour représenter un ensemble de fibres disjointes comme un milieu continu, un modèle constitutif approprié est nécessaire. Celui généralement adopté est capable de bien représenter les propriétés longitudinales d’un toron mais limitatif pour représenter le comportement de sa section droite. Récemment, différents travaux ont démontré l’importance de la mécanique liée à la section droite d’un toron dans la rupture des tissus. Elle joue un rôle majeur pour aboutir à un modèle numérique prédictif. L’objet de cette thèse est de développer une nouvelle loi constitutive capable de surpasser les limites du modèle linéaire élastique classique tout en maintenant une bonne représentation des propriétés longitudinales du toron et un coût de calcul acceptable.La première étape a été de comprendre les phénomènes physiques et de quantifier en particulier les effets liés à la section droite du toron sur les propriétés balistiques d’un tissu. Pour répondre à cette question, deux modèles numériques à l’échelle microscopique d’un toron de Kevlar soumis à l’impact transverse ont été développés. Les résultats obtenus ont montré que la mécanique de la section droite a des répercussions sur l’initialisation de la rupture du fil mettant en jeu des énergies significatives pendant la première phase d’un impact. La nécessité de prendre en compte les aspects physiques liés à la section droite d’un toron a été finalement confirmée.A partir des résultats précédents, un nouveau modèle constitutif de toron adapté à des applications dynamiques a été développé. Une formulation hyperélastique, précédemment utilisée pour des analyses statiques a été étendue au cas de l’impact et une nouvelle approche multi-échelle a été proposée pour la détermination des paramètres matériaux. La validation de la nouvelle loi a été faite en comparant les résultats obtenus à l’échelle mésoscopique (toron) avec ceux obtenus par les analyses à la micro-échelle (fibre). L’approche proposée est capable de reproduire l’évolution de la section droite du fil pendant l’impact en gardant la bonne représentation de ses propriétés longitudinales.Par la suite, le modèle de toron proposé a été implémenté au niveau du tissu. Les résultats ont confirmé les observations faites à l’échelle du toron. Le modèle de tissu composé par des torons hyperélastiques est capable de représenter correctement la dynamique d’impact , l’évolution des énergies en jeu et la rupture du tissu. La stabilité numérique du modèle a également pu être appréciée.Finalement, le modèle mésoscopique de toron proposé permet une bonne représentation du comportement dynamique et appréhension de la rupture. Il devient ainsi un outil pratique et efficace pour la prédiction des performances balistiques de tissus. / The current thesis work focused on the development of a predictive numerical model of dry fabrics under high velocity impact.A mature bibliography exists on the subject. The impact phenomenon can be essentially resumed as an energy transfer between the colliding object and the fabric layers. The correct prediction of the fabric ballistic performance by a numerical model is related to the correct representation of the fabric energy evolution and its failure dynamic. Different numerical strategies have been proposed to model a fabric under ballistic impact. Mesoscopic numerical models resulted to be the most popular since they provide a realistic representation of the phenomenon for a reasonable computational cost. This is possible thanks to the main assumption of treating yarns as continuous media.In order to represent a discrete fiber bundle as a continuum an appropriate constitutive behavior have to be formulated. The universally adopted constitutive law accurately describes yarns longitudinal properties but it is limited in the representation of their transverse mechanical behavior. Recent studies have demonstrated how this last point is intrinsically related to fabrics failure and multilayer textiles response, then its correct representation becomes a critical point for an accurate model. The goal of the current work has been to provide a new constitutive model which overcome the limitation of the classic linear elastic approach while keeping unaltered its advantages, i.e. low computational costs and accurate description of yarn longitudinal behavior.The first step of this dissertation was to quantify the yarn cross section effects over textile ballistic properties and the phenomena related to this aspect. In order to provide an answer, two microscopic numerical studies of a single Kevlar yarn transversely impacted have been presented. Results showed how yarn transverse mechanical behavior has a role in failure initialization, while its energetic contribution to the global energy balance is not negligible during the first phases of an impact. The importance of a correct representation of the yarn transverse behavior for a predictive fabric numerical model was then confirmed.Starting from the previous microscopic observations, a consistent yarn continuum model for impact applications has been proposed. An hyperelastic formulation previously developed for static applications has been extended to impact analyses and a novel multiscale approach for the determination of all the material parameters has been introduced. The validation of the hyperelastic approach has been performed comparing the results with those obtained at the microscale. Compared to the classical approach, the introduced constitutive law is actually able to reproduce the evolution of the yarn cross section during the impact while keeping a correct representation of the yarn longitudinal properties. Moreover, the proposed formulation provides new physical measurement to exploit the physic behind the impact and new possibilities in terms of failure modelisation.In the final part of the dissertation, the proposed yarn continuum model is introduced at the fabric level. Results confirmed the observation performed at the yarn level. The proposed hyperelastic approach is able to correctly represent the impact dynamic and fabric energies trends. Moreover, it provides more stability and a better representation of the fabric failure compared to linear elastic approach. The proposed hyperelastic constitutive law and the linear elastic one can be adopted for different portion of the same yarn without occurring into model instabilities and providing accurate results.The yarn mesoscopic model developed in the current work offers new possibilities in terms of failure modelisation and post processing tools. These could be used to develop more accurate fabric model and exploit the phenomena behind fabrics and yarns failure mechanic.

Dans certaines conditions de température et de débit, l’eau naturellement présente dans le kérosène va givrer l’intérieur des conduites du système carburant avion. Ces dépôts peuvent libérer des particules de glace qui sont entrainées par l’écoulement, et provoquent le colmatage des équipements hydrauliques situés en aval. Ce phénomène fut mis en évidence suite à l’accident d’un Boeing 777 en 2008, aussi sa compréhension est un enjeu important pour les acteurs de l’industrie aéronautique. Un dispositif a été spécialement conçu pour reproduire cette menace de façon quantifiée. De l’eau est atomisée dans un écoulement à basse température, puis cristallise pour former une suspension qui vient colmater différentes cibles perforées. Les températures, débits et pertes de charge sont mesurées, et le phénomène est filmé par une caméra haute fréquence. Un modèle a été réalisé à partir de cesobservations, complétées par des données issues de la littérature et de retoursd’expérience. Pour la phase fluide, les équations de Navier-Stokes incompressibles sont résolues par une approche volumes finis. Le couplage pression-vitesse est obtenu par l’algorithme SIMPLE et l’ordre élevé au moyen de la méthode MLS. La phase solide est simulée par éléments discrets. L’interaction fluide-particules repose sur une approche de type milieu poreux. Un code CFD-DEM parallèle a été développé, et les premières simulations d’écoulement en milieu granulaire sont en bon agrément avec des résultats expérimentaux. / Water, which exists naturally in jet-engine fuel, may freeze within theaircraft fuel pipes under certain temperatures and flow rates. The ice particles released by these deposits are entrained by the flow, and clog the hydraulics downstream. The understanding of this phenomenon, highlighted by the crash of a Boeing 777 in 2008, is an important issue for the aviation industry. Therefore a device has been designed to reproduce this threat in a controlled and quantified way. Water is atomized in low temperature jet-engine fuel and the droplets crystallize. The resulting slurry clogs different kinds of perforated targets. Temperatures, flow rates and pressure drops are monitored, and the phenomenon is filmed by a high frequency camera. A model was constructed based on these observations and data from literature and feedbacks. For the fluid phase, the incompressible Navier-Stokes equations are solved within a finite volume framework. The pressure-velocity coupling is achieved using the SIMPLE algorithm and high order of accuracy thanks to the MLS method. The solid phase is simulated using discrete elements. The fluid-particle interaction is based on a porous medium approach. A CFD-DEM parallel code has been developed to run the model. The first simulations of flow through granular media are in good agreement with experimental results.

Le dimensionnement des digues paravalanches s’appuie sur la connaissance des processus physiques liés au ressaut, qui se forme lorsqu’un écoulement fin et rapide rencontre un obstacle suffisamment haut pour ralentir et épaissir l’écoulement incident. La hauteur du ressaut est aujourd’hui calculée à partir d’équations strictement valides pour des écoulements de matériaux non frictionnels et non compressibles tels que l’eau, sur fond plat et lisse. Or, les avalanches de neige dense sont des écoulements compressibles qui ne peuvent avoir lieu qu’en pente, et au sein desquels se produit de la dissipation d’énergie par friction et collisions entre les grains. Il est donc essentiel de mieux connaître le comportement des ressauts dans les écoulements granulaires en pente. Pour cela, la thèse s’appuie sur plusieurs approches. Les ressauts granulaires stationnaires sont d’abord étudiés de manière purement théorique, à l’aide des équations de conservation de la masse et de la quantité de mouvement moyennées dans l’épaisseur, afin de trouver une relation générale pour prédire la hauteur des ressauts quelques soient les conditions d’entrée. Nous simulons ensuite numériquement un grand nombre de ressauts granulaires en faisant varier plusieurs paramètres (la pente du plan incliné, le débit, le diamètre des grains, la friction entre les grains) à l’aide de la méthode aux éléments discrets. Cette méthode permet d’accéder à la structure interne des ressauts, et notamment à la mesure des champs de vitesse, de fraction volumique, ou encore de la dissipation d’énergie. Les simulations sont réalisées en deux dimensions. Enfin, un dispositif de mesure innovant, qui utilise la radiographie à rayons X dynamique, a été adapté à une expérience de laboratoire existante pour créer des ressauts granulaires stationnaires. Cette technique de mesure permet, en particulier, de mesurer la distribution spatiale moyennée dans la largeur de l’écoulement de la fraction volumique avant, à l’intérieur et après le ressaut granulaire. La comparaison du nouveau cadre théorique proposé avec les résultats expérimentaux et numériques nous permet de mettre en évidence une grande diversité des types de ressauts granulaires en fonction des conditions initiales. Pour chaque type de ressaut, les lacunes du cadre théorique classique, qui ne tient pas compte des forces mises en jeu dans le ressaut ni de la compressibilité, sont clairement établies. / The design of avalanche protection dams relies on the understanding and modelling of physical processes related to the formation of jumps that form when a thin and fast flow meets an obstacle high enough to slow down and thicken the incoming flow. The jump height is nowadays calculated through equations that are strictly valid for non-frictional incompressible flows on a horizontal and smooth bottom. However, dense-snow avalanches are compressible granular flows taking place on a slope, and inside which energy is dissipated through enduring frictional contacts and collisions between grains. It is then essential to decipher the behaviour of jumps formed during granular flows down inclines. To this extent, the thesis relies on several approaches. Standing granular jumps are first studied in a purely theoretical way, with the help of depth-averaged mass and momentum conservation equations, in order to find a relation to predict the height of the jumps regardless of the input conditions. A great number of granular jumps are then simulated by varying several parameters (the slope angle of the incline, the discharge, the grain diameter, the grain-grain friction) thanks to the discrete element method. This method allows us to access to the internal structure of the jumps, and in particular to the spatial distributions of velocity, volume fraction and energy dissipation. Those simulations are done in two dimensions. Finally, an innovative measurement technique using dynamic X-ray radiography was adapted to an existing small-scale laboratory device to produce standing granular jumps. This technique allows in particular the measurement of the width-averaged spatial distribution of volume fraction before, inside and after the granular jumps. The comparison between the new theoretical framework proposed and both the experimental and numerical data, allows us to evidence a rich variety of granular jump patterns as a function of the input conditions. For each type of jump pattern, the shortcomings of the classical theoretical framework, which does not account for the forces at stake within the jump volume nor the compressibility, are well established.

Research area and topicality of the work. Mechanical properties and their evolution under loading are the most significant factors for the development of various mechanical structures, technologies and equipment. It seems to be natu-ral that deeper understanding of the behaviour of existing and design of new materials presents a challenge in different research areas. It should be noted, that all the materials are heterogeneous in meso- and micro- scales. They exhibit essential differences, compared to the macroscopic continuum behaviour. Basically, both experimental and numerical simulation methods are extensively applied for investigation purposes. Experimental techniques, capable of giving a realistic view of the inside of the material and extracting the real data, are very expensive. Therefore, the nu-merical simulation tools are extensively used as an alternative for investigation purposes. They have considerable advantages allowing the reproduction of multiple experiments and providing comprehensive data about ongoing phe-nomena. Recently, numerical technologies have become highly multidisciplinary subjects. They comprise phenomenological and statistical ideas, while mathe-matical models employ the relations of continuum mechanics, classical discre-tization methods and molecular dynamics. The Discrete Element Method (DEM) is one of new methods. It is aimed at simulating the dynamic behaviour of the contacting particles. Variable topology of the system of particles is an... [to full text] / Tyrimų sritis ir darbo aktualumas. Kuriant modernias ��vairios paskirties mechanines sistemas, technologijas ir įrangą, svarbiomis tampa jas sudarančios medžiagos. Savaime suprantama, kad žinomos ir naujai kuriamos medžiagos dabar kur kas išsamiau nagrinėjamos daugelyje mokslo šakų, įskaitant ir me-džiagų mechaniką. Visos medžiagos mezo- ir mikrostruktūros požiūriu yra ne-vienalytės. Jų mikroskopinės savybės skirtingos, lyginant su įprastu kontinuu-mu. Medžiagų savybėms tirti dažniausiai taikomi eksperimentiniai metodai. Eksperimentiniais metodais ištirti medžiagos struktūras ir jose vykstančius procesus ir įvertinti tam tikras jų savybes labai brangu. Tai viena priežasčių, kodėl skaitinis modeliavimas tampa realia tyrimų alternatyva. Skaitinį eksperi-mentą galima kartoti daug kartų, valdant bandinio parametrus, išlaikant tas pa-čias sąlygas, ir stebėti reiškiniui būdingus rodiklius visame tūryje. Šiuolaikiniai modeliavimo metodai yra kompleksiniai. Jie jungia fenome-nologines ir statistines idėjas, o matematiniai modeliai sudaromi taikant konti-nuumo mechanikos ir jų diskrečiųjų modelių bei molekulinės dinamikos pri-klausomybes. Diskrečiųjų elementų metodas (DEM) taip pat priskiriamas šiuo-laikinių metodų kategorijai. Jis skirtas kontaktuojančių dalelių sistemų dinami-niam modeliavimui. Kintanti dalelių sistemos topologija – būdingas metodo požymis. Pastaruoju metu DEM jau taikomas kontinuumui modeliuoti ir praktikoje aktualiems irimo uždaviniams spręsti. Reikia pastebėti... [toliau žr. visą tekstą]

Digital Elevation Models (DEM) are typically created through a variety of multi-step processes that are generally labour intensive. This thesis explores the trade-offs involved in automating these processes in order to produce a DEM at various resolutions, while minimizing artifacts and highlighting areas where artifacts or uncertainty may have been introduced. The iDEM system is a prototype design to automate the creation of customized DEM complete with a detailed audit-trail of metadata history. Originally conceived as a solution to creating DEM for tsunami modelling, iDEM is applicable to modelling any spherical surface. The proposed framework is highly generalizable in that it leverages existing applications in a plug-and-play manner, essentially integrating them into a new system. The creation of DEM in our prototype design utilizes an amalgamation of three existing fusion methods that allow tessellation without edge distortion and propagates data uncertainty for every DEM generated. The challenge of integrating data in different formats is tackled by automatically generating customized DEM based on the selection of any module providing data fusion techniques applied to the best measurements available. / Graduate

Les études existantes s'intéressant au dimensionnement des structures paravalanches s'appuient généralement sur des signaux de force lissés dans le temps. Cependant, le caractère hétérogène de la neige en écoulement est responsable de fortes fluctuations systématiquement observées. Cette thèse a pour objectif de caractériser les fluctuations de force exercées sur un obstacle surversé par un écoulement granulaire. Des modélisations numériques par la méthode des éléments discrets sont mises en œuvre pour simuler l'interaction entre la neige, représentée par un ensemble plan de particules sphériques, et un mur immobile et indéformable. Une particularité de ce travail réside dans l'étude d'une gamme très large de régimes d'écoulement, de quasistatique à collisionnel. Deux systèmes modèles sont développés dans le but de focaliser la zone d’étude en amont de l’obstacle, et de permettre le contrôle des variables macroscopiques de l’écoulement (vitesse de cisaillement, pression de confinement, tailles des systèmes). Le premier confine les grains entre quatre parois dont l’une impose un cisaillement à vitesse constante, alors que les signaux de force sont mesurés sur la paroi faisant face au cisaillement. Le second système confine les grains entre deux parois (dont une cisaillante) et une condition aux limites périodique dans la direction du cisaillement, alors que le mur est immergé dans les grains. Chaque système est étudié via une analyse moyenne puis les fluctuations sont caractérisées à partir des signaux de force instantanés.Le nombre inertiel macroscopique construit sur la vitesse de cisaillement et la pression de confinement imposées au système s'avère être une variable de contrôle à la fois de la dynamique moyenne et des fluctuations dans les deux systèmes. Une loi empirique a été établie pour chacun des systèmes pour prédire la transmission de force moyenne sur l'obstacle en fonction du nombre inertiel macroscopique, et la mesure de grandeurs locales a révélé que la loi rhéologique µ(I) des milieux granulaires en écoulement est respectée quasiment partout. Les autocorrélations des signaux de force sur le mur à l'échelle mésoscopique ont révélé l'existence d'un effet mémoire des systèmes aux faibles nombres inertiels, disparaissant avec la transition vers le régime dense inertiel. Les distributions de forces à trois échelles spatiales différentes sont également contrôlées par le nombre inertiel macroscopique : aux régimes lents les distributions sont resserrées et approchent une forme Gaussienne, aux régimes rapides les distributions sont exponentielles. Des lois de probabilité log-normales tronquées à trois paramètres ont été établies afin de prédire de façon empirique les distributions de force sur l'obstacle.Ce travail contribue à approfondir les connaissances sur la composante moyenne et les fluctuations de force subies par un obstacle soumis à un écoulement granulaire. Les résultats obtenus permettent d'envisager la modélisation de systèmes gravitaires s'approchant des conditions réelles d'écoulements, permettant ainsi la comparaison avec des expérimentations de laboratoire dans le but de mieux dimensionner les structures de génie-civil. / The existing studies dealing with the design of civil-engineering structures against snow avalanches are generally based on force times series that are smoothed over time. However the strong heterogeneity of snow leads to systematic observations of a high level of force fluctuations. This PhD thesis aims at characterizing the force fluctuations exerted on an obstacle that is overflowed by a granular flow. Numerical simulations based on the discrete elements method are implemented to model the interaction between the snow, represented by an assembly of spherical particles, and a rigid motionless wall-like obstacle. A key feature of this work is the broad range of flow regimes investigated, from quasistatic to collisionnal. Two model systems are studied in order to focus on a zone restricted to the upstream of the obstacle, and to allow a full control of the macroscopic flow variables (shearing velocity, confinement pressure, system sizes). The first one confines the grains between four walls from which the top one imposes a constant shearing velocity while the force signals are measured on the wall facing the corresponding displacement. The second system confines the grains between a static bottom wall, a shearing top wall, and a periodic boundary condition in the shear direction, while the wall-like obstacle is fully immersed in the grains. Each system is studied through a time-averaged analysis then the fluctuations are characterized from the instantaneous force time series.The macroscopic inertial number built from the shear velocity and the confinement pressure imposed to the system turns out to be the main control variable of both the mean dynamics and the fluctuations in the systems. An empirical law has been established to predict the mean force transmission on the obstacle as a function of the macroscopic inertial number for each of the two systems, and the measurement of local strain and stress tensors revealed that the granular flow µ(I)-rheological law is respected nearly everywhere in the samples. The autocorrelations of force signals on the obstacle at the mesoscopic scale revealed the presence of a memory effect of both systems at low inertial numbers which vanishes with the transition from the quasistatic to the dense inertial flow regimes. The force distributions at three different spatial scales are also controlled by the macroscopic inertial number: for slow regimes the distributions are tightened and resemble Gaussian shapes, for fast regimes the distributions are rather exponential. Truncated log-normal probability density functions (with three parameters) have been established in order to predict empirically the force distributions on the obstacle.This work contributes to advance the knowledge on both the time-averaged and the fluctuating components of the force exerted on a wall subjected to a granular flow. The results enable to look forward with the modeling of gravity-driven systems approaching real flow conditions, thus allowing a comparison with laboratory experiments and full-scale measurements, with the aim of better designing of civil engineering structures impacted by avalanches.

Les failles dans la croûte supérieure sont des zones de déformation localisées capables de conduire des fluides sur de longues distances. L'estimation de la perméabilité des zones de failles et de leurs propriétés hydromécaniques est cruciale dans nombreux domaines de recherche et applications industrielles. Dans l'industrie pétrolière, et plus particulièrement dans les applications d'exploration et de production, l'intégrité de l'étanchéité des failles doit être évaluée pour la détection des pièges à hydrocarbures. Il existe déjà des approches permettant d'estimer la capacité de scellement latéral d'une faille à partir de la teneur en argile des couches (par exemple le Shale Gouge Ratio). Pourtant, les conditions dans lesquelles la faille se comporte comme un conduit le long de sa structure ne sont pas encore suffisamment contraintes. Dans ce contexte, la géomécanique peut apporter un éclairage complémentaire sur les paramétres qui contrôlent le comportement hydrodynamique de la faille. Ces paramètres comprennent le champ de contraintes, la pression du fluide, l'orientation des structures de la zone de faille et les propriétés des matériaux. Des expériences d'injection à une échelle décamétrique ont été réalisées dans une zone de faille située dans le site expérimental de Tournemire, dans le sud de la France, au cours desquelles la pression et le débit du fluide, la déformation du massif, la sismicité ont été suivis. Sur la base des observations issues de ces expériences, une étude numérique a été réalisée pour explorer l'évolution de la perméabilité etétablir le lien avec la réponse hydromécanique de la faille ainsi que la sismicité induite. Les comportements des failles secondaires, les fractures de la zone endommagée ainsi que la roche encaissante ont été modélisés numériquement en utilisant la méthode des éléments discrets. La modélisation des essais expérimentaux et l'analyse des modèles génériques utilisés pour les études paramétriques ont mis en évidence le rôle majeur des conditions de contrainte in situ. L'effet combiné de la contrainte et de l'orientation des structures de la faille détermine en premier lieu la nature de la réactivation selon le concept de l'état de contrainte critique de la faille décrit dans la littérature. Pour des conditions de contrainte et des éléments structuraux donnés, il a été démontré que selon le niveau de pression du fluide, la faille offre trois gammes différentes de perméabilité : i) perméabilité équivalente à la perméabilité de la formation, ii) 2 à 4 ordres de grandeur plus élevés et iii) plus de 4 ordres de grandeur plus élevés. Alors que pour les deux cas extrêmes, la faille est caractérisée comme étant hydromécaniquement active ou inactive, le second cas est principalement contrôlé par des mécanismes de chenalisation du fluide favorisés par des hétérogénéités aussi bien à l'échelle d'une seule fracture ou qu'à l'échelle du réseau de fractures. Les changements dans les propriétés hydrauliques sont dans certains cas détectés par la sismicité induite lors de l'injection en supposant que la sismicité est l'effet direct de la propagation du fluide, de l'augmentation de la pression du fluide et de la chute de la contrainte effective. Néanmoins, les mécanismes à l'origine de la sismicité induite par injection sont encore peu connus. A partir des résultats expérimentaux du site de Tournemire, le rôle de la diffusivité hydraulique des structures de la faille a été exploré sur la sismicité observée dans le cadre d'une analyse hydro-mécanique. Les résultats indiquent que la microsismicité induite était probablement liée à des perturbations de contrainte résultantes d'une déformation asismique importante plutôt que de la propagation de fluides à travers des structures hydrauliquement connectées. / Faults in the Earth crust are localized zones of deformation which can drive fluids over long distances. Estimating the permeability of fault zones and their hydro-mechanical properties is crucial in a wide range of fields of research and industrial applications. In the petroleum industry, and more specifically in exploration and production applications, the seal integrity of faults in low permeability formations (e.g. shale) needs to be evaluated for the detection of hydrocarbon traps. There already exist approaches able to sufficiently estimate the "side-sealing" capacity of a fault based on the clay or shale content of the layers (e.g. Shale Gouge Ratio). Nevertheless, the conditions under which the fault acts as a drain along its structure are still not properly constrained. In this context, the response of the fault is directly controlled by a number of factors that can be better approached from a geomechanics point of view. These factors include the stress field, the fluid pressure, the orientation of the fault-related structures and the material properties. Meso-scale field injection experiments were carried out inside a fault zone located in the Tournemire massif at the South of France during which the fluid pressure, the deformation, the seismicity and the flow rate were monitored. Based on the Tournemire experiments and field observations, a numerical study was performed exploring the evolution of the permeability and how it is related to the fault hydro-mechanical reactivation and potentially to the induced seismicity. Fault-related structures such as subsidiary faults or fractures that were targeted during the experiments together with the surrounding intact rock, were modeled using the Discrete Element method. Modeling of the experimental tests and the analysis of generic models used to perform parametric studies highlighted the primary role of the in-situ stress conditions. The combined effect of stress and orientation of the fault structures determine in the first place the nature of the reactivation according to the critically stressed fault concept reported in the literature. For given stress conditions and structural features, it was shown that depending on the fluid pressure level, the fault offers three different ranges of permeability: i) permeability that is equivalent to the formation's permeability, ii) 2 to 4 orders of magnitude higher and iii) more than 4 orders of magnitude higher. While for the two extreme cases the fault is characterized as hydro-mechanically inactive or active, the second case is mostly controlled by fluid channeling mechanisms promoted by heterogeneities at the scale of a single fracture or at the scale of the fracture network. Changes in the hydraulic properties are in some cases detected by the seismicity triggered during the injection under the assumption that the seismicity is the direct effect of fluid propagation, fluid pressure increase and effective stress drop.However, the mechanisms behind the injection induced seismicity are still poorly understood. Using experimental results from the Tournemire site, the role of the hydraulic diffusivity of the fault-related structures was explored on the recorded seismicity in the framework of a hydro-mechanical analysis. The results suggest that the induced microseismicity was possibly related to stress perturbations caused by a significant aseismic deformation rather than fluid propagation through hydraulically connected structures.

Ce travail de recherche présente la modélisation du comportement mécanique des matériaux granulaires cohésifs par une approche multi-échelle en combinant la méthode des éléments finis (FEM) et la méthode des éléments discrets (DEM). A l'échelle microscopique, la DEM est utilisé pour modéliser un assemblage granulaire alors qu'à l'échelle macroscopique, la solution numérique est obtenue par la FEM. Afin de faire un pont entre l'échelle micro et macroscopique, un Volume Elementaire Représentative (VER) est considéré dans lequel la contrainte suite à une déformation imposée résulte d'un calcul numérique de type DEM. Par cette manière, la loi numérique constitutive est déterminé par la modélisation de la microstructure, et par conséquent prenant en compte les natures des matériaux granulaires. Après avoir achevé à construire la loi numérique, on propose d'étudier les propriétés de cette loi incrémentale en terme des enveloppes de réponse Gudehus, et des analyses en bande de cisaillement. Cet étude nous permet d'avoir une vision générale sur cette nouvelle loi. Dans cette contribution numérique multi-échelle, en implémentant la loi numérique DEM dans un code de calcul par éléments finis, un outil numérique est obtenu et utilisé à simuler des essais menés au laboratoire. Des résultats obtenus produisant la localisation de la déformation en bandes de cisaillement seront analysés et discutés. / This thesis presents a multi-scale modeling approach of cohesive granuar materials in combining the Finite Element Method (FEM) and the Discrete Element Method (DEM). At microscopic level, a DEM is used to model dense grains packing. At the macroscopic level, the numerical solution is obtained by a FEM. In order to bridge the micro and macro scales, the concept of Representative Elementary Volume (REV) is applied, in which the average REV stress and the consistent tangent operators are obtained in each macroscopic integration point as the results of DEM's simulation. In this way, the numerical constitutive law is determined through the detailed modeling of the microstructure, therefore taking into account the nature of granular materials. After completing the building of numerical law, we aim to investigate the properties of this incremental law in terms of the response envelopes Gudehus and the shear band analysis. This study allows us to better understand this new constitutive law. On the side of multi-scale numerical contribution, the numerical law DEM is implemented in a finite elements code. The numerical tool obtained is used to simulate a series of biaxial test in plane strain condition and the hollow cylinder test in laboratory. Macroscopic strain localization is observed and discussed.

De nos jours, la gestion des flux de matière autour de la zone decontact représente un des principaux verrous scientifiques pourl'amélioration des simulations des procédés d'usinage comme, parexemple, le procédé FSW. Les méthodes basées sur la mécanique desmilieux continus sont couramment utilisées dans ces simulations maiselles rencontrent de nombreuses difficultés dans les zones decontact. Une explication "physique" à ces difficultés estl'utilisation des équations issues de la mécanique des milieuxcontinus pour décrire des phénomènes discontinus. À ce point, laméthode des éléments discrets s'est révélée être une alternative auxapproches continues pour traiter le problème causé par cesdiscontinuités. Cette méthode est en revanche très gourmande en termede temps de calcul.Une solution à long terme passe par un couplage entre méthodescontinues et discrètes qui requiert une zone de recouvrement où lesdeux approches coexistent. Cette zone est classiquement placée dansune région continue et cela oblige à développer la méthode deséléments discrets pour qu'elle puisse opérer dans ce type derégion. Le travail de thèse présente une méthode pour simuler laconduction de la chaleur et le comportement mécanique des milieuxcontinus élasto-plastiques. Cette méthode peut travailler dans la zonecontinue de recouvrement et, en plus, elle peut être facilementcouplée avec les méthodes discontinues classiques.Le couplage entre l'aspect thermique et l'aspect mécanique estégalement étudié et comparé aux résultats expérimentaux issus de labibliographie. / Currently, almost all material manufacturing processes are simulatedusing methods based on continuum approaches. These methods, thoughwidely studied, face difficulties with contact problems that areusually found in processes such as FSW. One "physical" explanationto this issue is given by the fact that these methods use equationsbased on continuum mechanics to describe discontinuous problems. Insome cases, the Discrete Element Method is used to overcome theseproblems. However, it is known to be a very time-consuming method.Thus, a long term solution consists of coupling both continuum anddiscontinuous approaches. This solution requires an overlapping zonewhere the two methods work together. This overlapping zone isclassically placed on a continuous region. Consequently, the DiscreteElement Method must be improved to be reliable in such a region. Thepresent work describes a DEM approach to simulate elasto-plasticmechanical behaviour and heat conduction through a continuousmaterial. This method can be used both to carry out calculations onthe continuous overlapping zone as well as to be coupled withclassical Discrete Element Method in order to deal with discontinuousproblems.Finally, coupling between thermal and mechanical aspects is studiedand compared to experimental results found in the bibliography.

Background: The video game industry has yet to achieve a physically-based real-time avalanche simulation because of the sheer complexity of modeling the behavior of snow avalanches. An avalanche is made out of snow, meaning it would require a snow simulation which itself already shows to be complex. However, a real-time snow simulation has shown up recently, making this thesis worth investigating. Objectives: The proposed method will take advantage of a real-time snow simulation framework to animate slab and powder-snow avalanches. The powder-snow avalanche is divided into two types: a loose-snow avalanche and a powder-cloud avalanche. Animating the avalanches will require tuning the parameters to get the different types and calculate the release area on a terrain. Lastly, a survey is sent out to verify the viability for use in games of the avalanches. The performance will be measured and analyzed along with the gathered data from the survey. Methods: Two particle systems were used to animate the avalanches. The Discrete Element Method was used to animate the slab and loose-snow avalanches, whereas the powder-cloud avalanche utilized the Smoothed Particle Hydrodynamics method. A procedural Voronoi pattern was used for generating the slabs and hypertexture to render the powder-cloud. In contrast, a fluid renderer was used to render the snow. Results: Measurement of the proposed avalanche animations was conducted and analyzed. The proposed slab and loose-snow avalanches reached real-time performance depending on the number of particles and the shading when rendering the scenes. However, the powder-snow avalanche did not fulfill the real-time performance criteria. Furthermore, the survey was used to verify if the proposed avalanche animations were viable for games. Both the slab and loose-snow avalanches were seen as viable for use in games, while the powder-snow avalanche was not seen as viable for games. Conclusions: The proposed slab and loose-snow avalanche animations ran in real-time with a dynamic particle count of 300k or lower, without shaded rendering, or 75K or lower with shaded rendering. Both avalanches were seen as viable for use in video games. Furthermore, the powder-snow avalanche could not reach a real-time performance of over 30 frames per second and was not seen as viable for use in video games. Further research is needed for the powder-snow avalanche. / Bakgrund: Dataspelsbranschen har ännu inte uppnått en fysikbaserad lavinanimation i realtid på grund av dess komplexitet att modellera lavinbeteende. En lavin består utav snö, som i sig själv visas redan vara komplext att simulera. Dock, en realtidssnösimulering har dykt upp nyligen, som gör detta arbetet värt att undersöka. Syfte: Den föreslagna metoden kommer att utnyttja ett realtidssnösimuleringsramverk för att animera flaklaviner och snödammslaviner. Snödammslaviner delas in i två typer: en lössnö-del som är kärnan och en snödamms-del som är snön som virvlas upp i luften. För att animera lavinerna kommer parametrarna justeras för att få fram de olika typerna och beräkna utlösningsområdet på terrängen. Slutligen skickas en enkät ut för att verifiera om de föreslagna lavinerna kan användas inom spel. Prestandan kommer att mätas och analyseras tillsammans med den samlade datan från undersökningen. Metod: Två partikelsystem användes för att animera lavinerna. Diskreta elementmetoden användes för att animera flaklavinen och lössnölavinen, medan snödammslavinen animerades med SPH-metoden. Ett procedurellt Voronoi-mönster användes för att generera bitarna i snöflaket och hypertexturer för att rendera snödammslavinen. Däremot användes en rendering för vätskor för att rendera snön. Resultat: Mätning av de föreslagna lavinanimationerna genomfördes och analyserades. De föreslagna flaklavinen och lössnölavinen nådde realtidsprestanda, med rendering. Där prestandan berodde på antalet partiklar och rendering. Snödammslavinen uppfyllde dock inte kriterierna för realtidsprestanda. Dessutom användes en enkät för att kontrollera om de föreslagna lavinanimationerna kunde användas för dataspel. Både flaklavinen och lössnölavinen sågs passande för användning i dataspel, däremot sågs snödammslavinen inte vara användbar i dataspel. Slutsatser: De föreslagna animationerna av flaklavinen och lössnölavinen exekverades i realtid med ett dynamiskt partikelantal på 300 tusen eller lägre, utan rendering, eller 75 tusen eller lägre med rendering. Båda lavinerna ansågs passande för användning i dataspel. Snödammslavinen kunde dock inte nå en realtidsprestanda på över 30 bilder per sekund och då ansågs inte vara lämplig för användning inom dataspel. Det behövs ytterligare forskning på att animera snödammslavinen för använding inom dataspel.