Th. doct.-ing.--Génie chim.--Toulouse--I.N.P., 1985. N°: 359.

Th. doct.-ing.--Bioméc.--Toulouse--I.N.P., 1983. N°: 238.

Ce travail traite de la modélisation du comportement mécanique de matériaux mous, tels que les mousses liquides et les émulsions. La description de la réponse mécanique de tels milieux nécessite la prise en compte de caractéristiques complexes: élasticité aux grandes déformations, écoulement plastique se produisant au delà d'un certain seuil de contrainte. Nous proposons un nouveau modèle mécanique incluant ces caractéristiques. Une analyse mathématique du couplage entre l'équation constitutive obtenue et l'hydrodynamique est proposée. Le travail s'achève avec une étude numérique du système dans un contexte d'écoulement bidimensionnel. Les simulations reproduisent certains phénomènes observés expérimentalement, tel que la formation de bandes de cisaillement. / Abstract

Cette thèse a pour objet le développement d’un modèle de transport sédimentaire avec la méthode SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics). Si les modèles couramment proposés dans la littérature reposent sur un solveur hydrodynamique couplé à des lois semi-empiriques qui modélisent le transport sédimentaire, une approche différente est proposée ici. Dans le modèle proposé dans ce travail, la dynamique du sédiment est également résolue. Celui-ci est assimilé à un milieu continu dont la loi de comportement rend compte de la nature granulaire.Pour ce faire, le modèle élastique-viscoplastique d’Ulrich (2013) a été implémenté dans un code SPH préexistant programmé en langage Cuda, et amélioré du point de vue physico-numérique. Le comportement mécanique du sédiment dépend donc d’une contrainte de rupture déterminée conformément au critère de Drucker-Prager. Dans les zones du matériau où la rupture n’a pas eu lieu, les contraintes de cisaillement sont calculées selon la loi de Hooke généralisée. Dans les zones où la contrainte de rupture a été dépassée, le matériau est assimilé à un fluide rhéofluidifiant. Numériquement, la transition entre les deux états est opérée à l’aide d’une fonction de raccord qui dépend notamment du l’amplitude du taux de déformation et des propriétés granulaires du sédiment.L’eau et le sédiment sont modélisées comme deux phases immiscibles, dans le cadre d’une formulation SPH multi-phase. Pour ce faire, le modèle de Hu et Adams (2006) a été adapté aux modèles de conditions limites semi-analytiques (Ferrand, 2013). Enfin, un schéma d’intégration implicite des forces visqueuses a été développé dans ce contexte, afin d’améliorer les performances du solveur lors de modélisation d’écoulement à bas Reynolds.Plusieurs cas tests sont proposés pour valider le modèle multiphasique, le schéma implicite et le modèle élastique-viscoplastique. De manière générale, les résultats sont en bon accord avec les données expérimentales et analytiques. Le modèle permet de représenter des écoulements multi-fluide avec une bonne précision, même en présence de grand rapport de densité entre les phases. Il en va de même pour les écoulements de fluide non-newtonien et les écoulements à bas Reynolds, pour lesquels le schéma implicite conduit à des résultats très satisfaisants. Enfin, le modèle élastique-viscoplastique a été appliqué à divers cas d’écoulements granulaires, dans le cas d’un matériau sec et saturé, ainsi qu’à des cas d’érosion et d’affouillement. Là encore, les résultats sont globalement en bon accord avec l’expérience / This thesis presents the development and application of a Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) model to bed-load transport. While state of the art simulation methods commonly rely on a fluid dynamics solver coupled to semi-empirical relationships to model the sediment transport, a completely different approach is investigated in this work. The sediment is treated as a continuum whose behaviour law takes account for its granular nature. citepos{ulrich2013smoothed} elastic-viscoplastic model is thus implemented in an in-house code based on the Cuda language, and improved on physical and numerical aspects. The sediment behaviour depends on a yield stress determined according to Drucker-Prager's criterion. In unyielded regions, the shear stresses are calculated in line with the linear elastic theory. In yielded regions, a shear thinning rheological law is used and the transitions between solid and liquid states are ensured by a blending function driven by the strain rate magnitude and sediment granular properties. Water and sediment are modelled as two immiscible phases in the frame of a multi-phase SPH model with semi-analytical wall boundary conditions cite{ferrand2013unified}. An implicit viscous forces integration scheme is also developed to improve the code performance as for low-Reynolds flows.The multi-phase model, as well as the implicit viscous forces integration scheme, were validated on analytical test cases and good agreement was obtained. The multi-phase formulation has also proven its capability to handle flows involving high density ratio, while the implicit viscous forces integration scheme was successfully applied to the simulation of a non-Newtonian flow. The elastic-viscoplastic model was tested on dry and submerged granular flow problems. The model was able to correctly capture the liquid and solid states of the granular material, as well as the failure and the regime transitions. It was also applied to bed-load transport problems for which a good agreement with the experiment was generally found

Les paliers soumis à des charges dynamiques, comme par exemple les paliers de moteurs, ont une géométrie simple mais un fonctionnement assez complexe. La modélisation de tous les phénomènes physiques qui interviennent dans le fonctionnement d'un palier dynamique est très difficile à réaliser et nécessite parfois des temps de calcul prohibitifs. Le but de cette étude est d'aider les concepteurs des paliers en proposant des outils prédictifs rapides et performants. <br />Avec les lois de variation de la viscosité adaptées, les influences respectives des effets non-newtonien et piezo-visqueux sont étudiées dans le cas complexe des paliers de tête de bielle. Pour les cas étudiés l'effet piezo-visqueux s'avère être plus significatif sur le comportement du palier, que l'effet non-newtonien. Deux modèles thermiques sont développés : un premier modèle, qui donne une information 2D de la température dans le contact et un second, plus évolué, qui permet d'obtenir une information 3D de la température. L'efficacité des modèles est prouvée par le traitement d'un palier de tête de bielle. Une comparaison des résultats en utilisant un modèle EHD, deux modèles TEHD 3D avec et sans les effets non-newtoniens et un modèle TEHD dit "global" est présentée et analysée. <br />Afin de valider les modèles théoriques et numériques une machine d'essais (MEGAPASCALE) pour étudier la lubrification des paliers de bielle dans des conditions de fonctionnement réelles et sévères est étudiée et réalisée. Les diagrammes de charge obtenus (90kN en compression et 60 kN en traction pour une vitesse de rotation de 20000 tr/min) sont des diagrammes essentiellement "inertiels" comme ceux rencontrés dans des moteurs à hauts régimes. Une description détaillée des nombreuses solutions originales adoptées ainsi que le fonctionnement du banc est présentée.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Titre de l'écran-titre (visionné le 11 janvier 2024) / Cette thèse de doctorat étudie le transport de fluides viscoplastiques à travers des canaux dotés de parois superhydrophobes striées, en utilisant une approche de modélisation complète et des simulations numériques. L'objectif est de comprendre les interactions entre le fluide viscoplastique et la surface superhydrophobe, et d'identifier les facteurs qui influencent le comportement de l'écoulement. On suppose que les rainures emprisonnent des poches d'air à la surface superhydrophobe, maintenant l'interface liquide/air plate et fixée aux bords des rainures, ce qui entraîne une condition de glissement-collage. L'analyse est complète, couvrant à la fois les régimes de fluage et inertiel dans les limites des canaux épais et minces. En particulier, six paramètres, notamment le nombre de Reynolds (R), le nombre de Bingham (B), le nombre de glissement (b), la longueur de périodicité des rainures (ℓ), la fraction de zone de glissement (φ), et l'angle d'orientation des rainures (θ), sont pris en compte. Ensuite, les effets de ces paramètres sont analysés sur les variables d'écoulement d'intérêt, telles que le champ de perturbation, le champ de vitesse, la magnitude du taux de déformation, les zones de bouchon non cédées, la longueur de glissement effective, le facteur de frottement, l'asymétrie de l'écoulement, le mélange, et les classifications de régime. Dans les canaux épais (ℓ ≪ 1) avec des rainures transversales (θ = 90°), l'augmentation de B et de b entraîne une croissance des champs de perturbation et de glissement, qui deviennent asymétriques en augmentant R. Dans certaines conditions d'écoulement, le bouchon central se rompt ou une zone de bouchon non cédée peut se former à l'interface liquide/air de la paroi superhydrophobe, ce qui nous permet de classifier les régimes d'écoulement. Dans les canaux minces (ℓ ≫ 1), l'augmentation de b ou de θ entraîne la déformation du bouchon central non cédé, sauf pour les écoulements avec des rainures longitudinales (θ = 0). Pour les rainures obliques (0 < θ < 90°), un écoulement secondaire apparaît, déclenchant le mélange de l'écoulement. Enfin, l'analyse de stabilité linéaire de la condition de glissement homogène (φ = 1) révèle les effets stabilisants/déstabilisants des conditions de glissement dans le sens du courant/transversales. / This Ph.D. thesis investigates the transport of viscoplastic fluids through channels with grooved superhydrophobic (SH) walls, using a comprehensive modeling approach and numerical simulations. The goal is to understand the interactions between the viscoplastic fluid and the superhydrophobic surface and identify factors that influence the flow behaviour. It is assumed that the grooves trap air pockets on the SH surface, keeping the liquid/air interface flat and pinned at the groove edges, resulting in a slip-stick condition. The analysis is comprehensive, covering both creeping and inertial regimes in thick and thin channel limits. In particular, six parameters, including the Reynolds number (R), Bingham number (B), slip number (b), groove periodicity length (ℓ), slip area fraction (φ), and groove orientation angle (θ), are considered. Subsequently, the effects of these parameters are analyzed on the flow variables of interest, such as the perturbation field, velocity field, strain-rate magnitude, unyielded plug zones, effective slip length, friction factor, flow asymmetry, mixing, and regime classifications. In thick channels (ℓ ≪ 1) with transverse grooves (θ = 90°), increasing B and b leads to growing the perturbation and slip velocity fields, which become asymmetric by increasing R. Under certain flow conditions, the center plug breaks or an unyielded plug zone can form on the SH wall liquid/air interface, allowing us to classify the flow regimes. In thin channels (ℓ ≫ 1), increasing either b or θ causes the the unyielded center plug to deform and eventually break, except for flows with longitudinal grooves (θ = 0). For the oblique grooves (0 < θ < 90°), a secondary flow appears, triggering flow mixing. Finally, the linear stability analysis of the homogeneous slip condition (φ = 1) reveals stabilizing/destabilizing effects of the streamwise/spanwise slip conditions.

Afin de modéliser le flux sanguin dans les vaisseaux, l’équation de Stokes avec une viscosité variable est considérée dans une structure tubulaire mince, c’est à dire, dans une union de rectangles minces avec des hauteurs d’ordre ε et des bases d’ordre 1. Un développement asymptotique de la solution est construit. Dans le cas des perturbations aléatoires de la viscosité constante, nous prouvons que le premier terme de la vitesse est déterministe, alors que pour la pression, il est aléatoire, mais les espérances de la pression satisfont l’équation déterministe de Darcy. Les estimations pour la différence entre la solution exacte et son approximation asymptotique sont prouvées. Enfin, nous donnons quelques résultats numériques. Nous étendons les résultats à une structure tubulaire mince composée de deux rectangles minces avec des parois élastiques qui sont reliés par un domaine dont les parois sont rigides. Après une approche variationnelle du problème qui nous donne des résultats d’existence, d’unicité, de régularité, et certaines estimations, a priori, nous construisons une solution asymptotique. Nous présentons et résolvons les problèmes de tous les termes du développement asymptotique. Pour deux cas différents, nous décrivons l’ordre des étapes de résolution de l’algorithme du problème et nous construisons le terme principal du développement asymptotique. Et enfin, nous présentons une analyse variationnelle et asymptotique pour un cas plus général où la viscosité dépend du tenseur des déformations dans un canal mince. Par le biais des estimations a priori, nous justifions nos constructions asymptotiques, par l’obtention d’une petite erreur entre les solutions exactes et asymptotiques / In order to model the blood flow through vessels, the Stokes equation with the nonconstant viscosity is considered in a thin tube structure, i.e., in a connected union of thin rectangles with heights of order ε and bases of order 1 with smoothened boundary. An asymptotic expansion of the solution is constructed. In the case of random perturbations of the constant viscosity, we prove that the leading term for the velocity is deterministic, while for the pressure it is random, but the expectations of the pressure satisfies the deterministic Darcy equation. Estimates for the difference between the exact solution and its asymptotic approximation are proved. Finally, we give some numerical results. We extend the results for a thin tube structure composed by two thin rectangles with lateral elastic boundaries which are connected by a domain with rigid boundaries. After a variational approach of the problem which gives us existence, uniqueness, regularity results and some a priori estimates, we construct an asymptotic solution. We present and solve the problems for all the terms of the asymptotic expansion. For two different cases, we describe the order of steps of the algorithm of solving the problem and we construct the main term of the asymptotic expansion. And finally, we present a variational and an asymptotic analysis for a more general case where the viscosity depends on the infinitesimal strain tensor in a thin channel. By means of the a priori estimates, we justify our asymptotic constructions, by obtaining a small error between the exact and the asymptotic solutions

Le chapitre 1 introduit les modèles et donne les principaux résultats obtenus. Dans le chapitre 2, on présente des simulations numériques d'un modèle macroscopique en deux dimensions. La méthode de discrétisation par éléments finis utilisée est décrite. Pour le cas test de l'écoulement autour d'un cylindre, les phénomènes en jeu dans les fluides vieillissants sont observés. Le chapitre 3 concerne l'étude mathématique de la version unidimensionnelle du système d'équations aux dérivées partielles utilisé pour les simulations. On montre que le problème est bien posé et on examine le comportement en temps long de la solution. Dans le dernier chapitre, des équations macroscopiques sont dérivées à partir d'une équation mésoscopique. L'analyse mathématique de cette équation mésoscopique est également menée

Afin de modéliser le flux sanguin dans les vaisseaux, l'équation de Stokes avec une viscosité variable est considérée dans une structure tubulaire mince, c'est à dire, dans une union de rectangles minces avec des hauteurs d'ordre ε et des bases d'ordre 1. Un développement asymptotique de la solution est construit. Dans le cas des perturbations aléatoires de la viscosité constante, nous prouvons que le premier terme de la vitesse est déterministe, alors que pour la pression, il est aléatoire, mais les espérances de la pression satisfont l'équation déterministe de Darcy. Les estimations pour la différence entre la solution exacte et son approximation asymptotique sont prouvées. Enfin, nous donnons quelques résultats numériques. Nous étendons les résultats à une structure tubulaire mince composée de deux rectangles minces avec des parois élastiques qui sont reliés par un domaine dont les parois sont rigides. Après une approche variationnelle du problème qui nous donne des résultats d'existence, d'unicité, de régularité, et certaines estimations, a priori, nous construisons une solution asymptotique. Nous présentons et résolvons les problèmes de tous les termes du développement asymptotique. Pour deux cas différents, nous décrivons l'ordre des étapes de résolution de l'algorithme du problème et nous construisons le terme principal du développement asymptotique. Et enfin, nous présentons une analyse variationnelle et asymptotique pour un cas plus général où la viscosité dépend du tenseur des déformations dans un canal mince. Par le biais des estimations a priori, nous justifions nos constructions asymptotiques, par l'obtention d'une petite erreur entre les solutions exactes et asymptotiques

Nous considérons la simulation numérique des écoulements de fluides viscoélatiques. Développant une approximation en temps par la méthode des directions alternées, nous proposons un algorithme entièrement nouveau permettant de découpler le calcul des contraintes de celui des vitesses. D'ordre deux en temps, cette méthode permet de plus le calcul rapide des solutions stationnaires. L'éléments à divergence nulle de Thomas-Raviart est utilisé pour les vitesses, et celui de Lesaint-Raviart pour les contraintes. La méthode est appliquée au problème de l'écoulement de fluides du type Oldroyd dans une contraction brusque (problème de la marche).