Ce travail de thèse est consacré à l'étude des écoulements biphasiques grains-gaz dans un régime de blocage (jamming). Ce régime -- caractérisé par un écoulement interrompu en temps fini et fréquemment rencontré dans la nature ou les applications industrielles -- présente un caractère stochastique. Sa compréhension nécessite la mesure de son débit, de ses fluctuations et de la probabilité d'arrêt liée à la géométrie de confinement, à la microstructure granulaire et au gaz interstitiel. Une approche numérique discrète couplant la méthode de la dynamique des contacts non-régulière (Non Smooth Contact Dynamics) pour la dynamique des particules et une méthode mésoscopique de type homogène équivalente pour le gaz est développée. La statistique d'écoulement obtenue est en bon accord avec des résultats expérimentaux de la littérature : le débit vérifie une loi de puissance croissante en fonction de l'ouverture avec un débit moyen affecté par la présence du gaz. Ces résultats statistiques quantitatifs sont appliqués à l'estimation du taux de relocalisation du combustible nucléaire fragmenté et confiné dans son tube-gaine présentant un ballonnement local suite à une situation accidentelle de type Perte de Réfrigérant Primaire.

Ce travail de thèse est consacré à la modélisation et à l'étude numérique de la texture et du comportement mécanique des matériaux granulaires à grande polydispersité. La polydispersité est considérée en termes d'étalement et de courbure de la distribution de tailles. Afin d'aboutir à des distributions de tailles représentatives, une méthode de génération ainsi qu'un modèle de courbe granulométrique sont présentés. La mise en place de grands échantillons denses par une méthode géométrique a permis de réaliser une étude systématique de l'influence de la polydispersité sur la texture. Le comportement mécanique est étudié par simulations numériques discrètes sur la base de la méthode de Dynamique des Contacts. Les échantillons sont successivement soumis à une relaxation uniaxiale et à un cisaillement simple avec des conditions aux limites périodiques afin d'atteindre respectivement l'état d'équilibre statique et l'état stationnaire après un cisaillement long. Nos résultats montrent que la distribution uniforme par fraction volumique conduit à la compacité la plus élevée. Dans l'état stationnaire, la résistance au cisaillement est indépendante de la polydispersité. Une analyse systématique de la texture permet de montrer que cette propriété résulte, d'une part, de la compensation mutuelle entre les anisotropies des directions de contact et des longueurs des vecteurs branches et, d'autre part, du fait que les forces fortes sont essentiellement transmise à travers les plus grosses particules. Enfin, en présence de forces d'adhésion, la cohésion de Coulomb augmente avec l'étalement granulométrique.

L’objectif des travaux présentés dans ce mémoire de thèse est de développer une modélisation numérique de la compaction des poudres composées de particules sécables dans le cadre de la méthode de Dynamique des Contacts en vue d’application au procédé de fabrication du combustible nucléaire. Les particules sont modélisées comme des agrégats cohésifs de fragments potentiels (cellules) de formes polyédriques irréguliers. A l’aide de ce modèle de cellules liées (Bonded Cell Method), nous avons réalisé une étude paramétrique de la résistance des particules par rapport aux paramètres géométriques et mécaniques du modèle. Nos résultats révèlent deux régimes et une mise à l’échelle en loi de puissance de la résistance à la compression en fonction de l’adhésion normale et du rapport entre l’adhérence tangentielle et l’adhésion normale entre cellules. Nous avons optimisé les paramètres du modèle pour la compaction uni-axiale des assemblages d’un grand nombre de particules sécables. Les simulations ont permis d’identifier les mécanismes de compaction et de rupture des particules, et de caractériser l’évolution de la texture et des tailles et formes des fragments. Les résultats obtenus montrent clairement que le processus de compaction est fortement non-linéaire en raison notamment de l’évolution de l’étalement granulométrique qui contrôle la texture et la transmission des contraintes. Enfin, nous avons mené une étude systématique de l’effet de la polydispersité de taille dans le cas de particules sphériques. / The goal of this PhD work is to develop a numerical modeling approach of the compaction of powders composed of crushable particles in the framework of the Contact Dynamics method in view of application to the manufacture process of nuclear fuel. The particles are modeled as cohesive aggregates of potential fragments (cells) of irregular polyhedral shape. Using this Bonded Cell Method, we performed a parametric investigation of the strength of particles with respect to the geometrical and mechanical model parameters. Our results reveal two regimes and a power-law scaling of the compressive strength as a function of the ratio between tangential adherence and normal adhesion between cells. We optimized the model parameters for the uniaxial compression of packings of a large number of crushable particles. The simulations allow us to identify the mechanisms of compaction and fracture of particles, and to characterize the evolution of texture and the sizes and shapes of fragments. Our simulation results clearly show that the compaction process is strongly nonlinear as a consequence of the evolution of particle size distribution, which controls the texture and stress transmission. We also perform a systematic analysis of the effect of size polydispersity in the case of spherical particles.

L'imbibition d’eau pour les matériaux granulaires induit des changements dans la morphologie des ponts capillaires qui passent d'une forme isolée (entre deux grains voisins), à une forme fusionnée (entre plusieurs grains voisins). Ces changements de morphologie des ponts liquides influencent le comportement mécanique de ces matériaux, et peuvent être à l’origine d’instabilités telles que l’effondrement capillaire. La thèse présente une approche expérimentale multi-échelle au laboratoire de l'effondrement capillaire de matériaux granulaires lors d'une imbibition d'eau. L’approche concerne les trois échelles: macroscopique d'un Volume Élémentaire Représentatif, mésoscopique de quelques grains et locale de trois ou quatre grains. À l'échelle macroscopique, des essais d’imbibition, dans une cellule triaxiale, ont permis l'identification et l'analyse du phénomène d'effondrement capillaire en mettant l'accent sur l'évolution des déformations dans le temps. Les essais sont réalisés sur deux types de matériaux granulaires, le premier est un matériau constitué de billes de verre et le deuxième est un sable concassé. Une fraction argileuse est parfois incorporée au matériau. Plusieurs paramètres ont été étudiés en vue de comprendre leurs contributions dans le déclenchement du phénomène d'effondrement comme : la granularité, la teneur en eau initiale, la compacité initiale et le pourcentage des particules argileuses. Aux échelles mésoscopique et locale, on propose une étude expérimentale de caractérisation du comportement mécanique des matériaux granulaires dans le régime pendulaire et funiculaire. On s’intéresse en particulier à l’effet de l’imbibition et de la coalescence sur la force capillaire entre les grains solides à l’échelle considérée. Les essais d'imbibition sont réalisés par ajout d’incréments de volume d’eau aux ponts capillaires. Les résultats relatifs au comportement et à l’effondrement à l’échelle macroscopique lors de l'imbibition d'eau sont discutés en s’aidant des résultats obtenus aux échelles inférieures. / Wetting in granular materials induces changes in the morphology of capillary bridges which pass from an isolated form (between two neighboring grains) to a merged form (between several neighboring grains). These changes in the morphology of the liquid bridges impact the mechanical behavior of these materials, and can lead to instabilities such as capillary collapse. The thesis presents a multi-scale experimental approach in the laboratory of the capillary collapse of granular materials during wetting. The approach concerns the three scales: macroscopic of a Representative Elementary Volume, mesoscopic of several grains and local of three or four grains. At the macroscopic scale, the wetting tests, carried out in a triaxial cell, allowed the identification and the analysis of capillary collapse phenomenon, focusing on the evolution of deformations over time. The tests are carried out on two granular materials, the first is a material made of glass beads and the second is a crushed sand. A clay fraction is sometimes incorporated into the material. Several parameters have been studied in order to understand their contributions to the triggering of the collapse phenomenon, such as: grain size, initial water content, initial compactness and percentage of clay particles. At the mesoscopic and local scales, an experimental study is proposed to characterize the mechanical behavior of a granular materials, in the pendular and funicular regimes. In particular, this study focus on the effect of the wetting and the coalescence of bridges, on the capillary force between grains at the considered scale. Wetting tests were performed by adding water volume increments to the capillary bridges. The results on behavior and collapse at the macroscopic scale during wetting are discussed using the results obtained on the lower scales.

Ce travail de thèse est consacré à l'étude de la corrélation entre la microstructure des matériaux granulaires cimentés, la morphologie des fissures qui peuvent y apparaître et leur perméabilité apparente. Une approche numérique par discrétisation sur réseau a permis de prendre en compte la structure polyphasique hétérogène de ces matériaux et d'étudier les mécanismes qui contrôlent leur comportement et leur rupture. Trois régimes de rupture ont été identifiés en fonction de la fraction volumique de la phase cimentaire et de l'adhésion aux interfaces inclusions/matrice cimentaire. Dans le cadre de la sûreté nucléaire, et dans une optique d'analyse d'étanchéité sur des bétons fissurés, une méthodologie de génération de microstructures représentatives du béton, combinant les fractions volumiques des phases et les distributions des tailles des grains, a été proposée. Cette méthodologie permet d'analyser le réseau de fissures qui peut y apparaitre sous chargement en fonction de la microstructure. En particulier, la tortuosité des fissures est analysée en fonction de la fraction volumique des inclusions et de la distribution de leurs diamètres. Enfin, la perméabilité apparente des des fissures a été étudiée par la simulation de l'écoulement d'un liquide par la methode Lattice Boltzmann. Une corrélation microstructure-tortuosité-perméabilité a été ainsi obtenue. Les outils de modélisation et d'analyse proposés sont suffisamment génériques pour permettre de prendre en compte la complexité microstructurelle d'autres types de matériaux polyphasiques et leurs évolutions. / In this work, we investigate the relationships between the microstructure of cemented granular materials, morphology of cracks that may appear under tensile loading and their apparent permeability. In order to simulate the complexity of the multiphase heterogeneous structure of these materials, a numerical approach based on a lattice discretization was developed and used to study the mechanisms that control their behavior and rupture. Three distinct regimes of crack propagation were evidenced in terms of the combined influence of the matrix volume fraction and particle/matrix adherence. In the context of nuclear safety and in view of analyzing cracked concrete toughness, a methodology is proposed for generating representative microstructures with controlled phase volume fractions and particle size distributions. The cracks obtained under tensile loading are analyzed and a relationship is obtained between the microstructure of concrete and the tortuosity of the cracks. The permeability of cracked numerical microstructures was obtained by the simulation of liquid flow through the cracks by means of the Lattice Boltzmann method. Finally, a microstructure-tortuosity-permeability relation is proposed. The modeling and analysis tools developed in this work are generic enough to be applied to other complex multiphase heterogeneous materials.

En condition accidentelle,le combustible nucléaire d’un réacteur peut entrer en contact avec le fluide caloporteur.Les conséquences de l’interaction qui en résulte sont étudiées par l’IRSN. La violence de l’interaction dépend notamment fortement de la cinétique de cette mise en contact. L’observation expérimentale directe du phénomène étant inenvisageable. Ce travail de thèse a consisté en l’étude de cette dynamique. Nous avons étudié le débit de vidange d’un milieu granulaire monodisperse en fonction de plusieurs paramètres prépondérants (géométrie du réservoir,taille,forme et position de l’orifice,débit gazeux,taille des grains). Ces études ont été réalisées sur un banc expérimental dédié et ont mis en évidence plusieurs lois d’échelle pour le régime stationnaire. En support à l’interprétation de ces expériences, différentes hypothèses de modélisation de l’écoulement (population discrète de particules, rhéologie d’un milieu continu) ont été confrontées aux résultats expérimentaux à l’aide de simulations numériques. Ainsi la loi de dépendance classique du débit de vidange d’un silo avec un orifice en bas a été étendue aux silos avec un orifice latéral notamment en clarifiant les contributions relatives aux dimensions verticale et horizontale. Par ailleurs, il a été établi qu’un écoulement de gaz augmente significativement le débit de vidange du granulaire. Ceci peut être modélisé en prenant en compte le gradient de pression imposé par le gaz sur les grains dans la zone de l’orifice en plus de la gravité. Les éléments fondateurs de la modélisation d’une vidange de grains et de gaz au sein d’un réservoir avec un orifice latéral ont pu ainsi être mis en place. / In the hypothetical conditions of a reactivity initiated accident in a nuclear power plant, some of the cylindrical rods, that contain the fuel, could break. If fuel fragmentation occurs, hot fuel particles and pressurized gas could be ejected out of the rod and then interact with the surrounding fluid. The consequences of this interaction are studied by IRSN . The violence of this interaction depends particularly on the discharge rate of the fuel particles. The aim of this thesis, was to study this dynamics. We simulated the fuel particles and gas ejection dynamics by the flow of a dense granular material and a gas from a confined space toward an open space. We focused on the experimental study of the stationary discharge of a silo composed of monodisperse spherical glass beads, with an orifice either lateral or at the bottom of the silo, with or without air flow. The measured parameters were the mass flow rate and the pressure along the silo, whereas the controlled parameters were the size of particles, the size of orifices, and the flow rate of air. To understand the underlying physical mechanism, discrete and continuous numerical simulations were also performed and compared to the experimental results. For the case of a lateral orifice, when the form of the orifice is rectangular, we identified two regimes that depend on the ratio of width to height. For the case with air flow, we found that the flow rate increases significantly with the air flow. We used a simple physical model to describe the grains and gas ejection taking into account the pressure gradient imposed by the fluid on the particles around the orifice.

Une approache combinant la méthode des élements discrets (DEM) et expériences techniques (essai oedométrique et microtomographie aux rayons X (XRCT)) est proposée pour observer le comportement mécanique des matériaux granulaires mouillés (des billes de verre mouillées) en état très lâche sous le chargement extérieur. Une observation expérimentale combinant l'essai oedométrique et XRCT est premièrement présentée. La réponse plastique du materiau réel (des billes de verre) est illustrée avec des certaines valeurs de densité initiale très faible. Le comportement à l'échelle du grain de ce matériau est puis caractérisé en utilisant à l'aide de microtomographie aux rayons X et d'essais mécaniques in-situ. Une méthode pour détecter des structures sphériques qui ont obtenu depuis des images de la tomographie est proposée. Ensuite, les propriétés micro-structurales sont analysées et calculées avec les données des sphères détectés. Ce matériau simplifié donne une meilleure compréhension du comportement à macro-échelle des sols granulaires mouillés basée sur leur caractérisation micro-structurale. La simulation numérique a permis de prévoir précisément en 3D la réponse plastique d'assemblages très lâches de billes de verre modélisé soumis à une compression isotrope/ oedométrique. Ce maériau a été préparé avec la présence d'une petite quantité d'un liquide interstitiel qui contrôle à capillaire ménisque and des forces attractives. Les réponses plastiques le long des courbes de compression sont présentées dans les cas avec et sans des résistance au roulement/ pivotement en contacts. L'effet du grain polydispersité en taille a aussi mentionné. L'évaluation de la microstructure et transmission de force le long de la courve de compression est également caractérisé. Finalement, nous comparons les prévisions des résultats expérimentals avec ceux de la simulation numérique. Nos comparaisons montrent que les prévisions de l'expérience sont sous-estimées pour celles de la DEM. Néanmoins, cette approache dans ce travail également fournit une caractérisation complète de la réponse plastique et du comportement à l'échelle du grain de sol granulaire mouillé à l'état très lâche / An approach combining the Discrete Element Method (DEM) and experimental techniques (oedometric compression test and X-ray Computed Tomography (XRCT)) is proposed to observe the mechanical behavior of wet granular material, modeled as frictional spherical glass beads, in very loose state under growing of applied external force. An experimental observation combining one-dimensional compression test and XRCT is first presented. The plastic responses of real material (spherical glass beads) are depicted with different values of very low initial densities. The grain-scale behavior of this material is then characterized by using the XRCT and in-situ compaction test. We propose a method to detect the spherical structures from the 3D tomography images. Microstructure properties of the loose system are then analyzed and computed from the detected spherical structures. This simplified material gives further a better understanding of the macroscale behavior of wet granular soils based on their microstructure characterization. The DEM simulation then allowed us to predict accurately in 3D the plastic response of very loose assemblies of modeled wet beads to an isotropic/ oedometric compression in the presence of a small amount of an interstitial liquid, which gives rise to capillary menisci and attractive forces. The plastic responses along the compression curves are then shown in particular without and with the appearance of rolling/ pivoting resistances in contacts and also the effect of size polydispersity. The evaluation of microstructure and force transmission along the compression curve is also characterized. Finally, we compare the predictions of the experimental results with the DEM simulations results. Our comparisons show that the predictions of experiments are underestimated for the DEM simulations. Nevertheless, the combined approach in this work also provides an comprehensive characterization of the plastic and grain-scale compression behavior of wet granular soil at very loose state

On s'intéresse à la modélisation des matériaux granulaires composés d'agrégats non-convexes et cohésifs en vue d'application à la rhéologie des poudres d'UO2. L'influence du degré de non-convexité des particules est analysé en termes de grandeurs macroscopiques (frottement interne et cohésion de Coulomb) et de paramètres micro-mécaniques tels que l'anisotropie de la texture et la transmission des efforts. Il apparaît en particulier que la compacité évolue d'une manière complexe avec la non-convexité et que la résistance au cisaillement augmente mais sature sous l'effet d'imbrication entre agrégats. Des modèles simples sont introduits pour décrire ces comportements en termes de paramètres micro-mécaniques. De même, des études systématiques par cisaillement, compaction uniaxiale et compression simple montrent que la cohésion interne augmente avec la non-convexité mais est fortement contrôlée par les conditions aux limites et l'apparition de bandes de cisaillement ou de concentrations de contraintes. / We model in this work granular materials composed of nonconvex and cohesive aggregates, in view of application to the rheology of UO2 powders. The effect of nonconvexity is analyzed in terms of bulk quantities (Coulomb internal friction and cohesion) and micro-mechanical parameters such as texture anisotropy and force transmission. In particular, we find that the packing fraction evolves in a complex manner with the shape nonconvexity and the shear strength increases but saturates due to interlocking between the aggregates. We introduce simple models to describe these features in terms of micro-mechanical parameters. Furthermore, a systematic investigation of shearing, uniaxial compaction and simple compression of cohesive packings show that bulk cohesion increases with non-convexity but is strongly influenced by the boundary conditions and shear bands or stress concentration.

La plupart des digues sont constituées de matériaux granulaires compactés. Elles sont ainsi perméables et constamment soumises à des écoulements d’eau dans leur volume. Dans certaines conditions, ces écoulements peuvent altérer leur microstructure par érosion interne et générer des instabilités mécaniques responsables de ruptures inopinées lors de crues. Cette thèse s’intéresse à l’analyse multi-échelle des instabilités mécaniques dans les matériaux granulaires soumis à l'érosion interne. Dans ce travail, le comportement mécanique de ces matériaux est simulé en 3D à l’échelle de volumes élémentaires représentatifs, et ce, pour différents états de contraintes et gradients hydrauliques. Grâce à l’utilisation du critère du travail du second ordre et d’outils micromécaniques, leur stabilité est analysée avant et après l’application d’un écoulement interne. Il est établi que l’origine micro-inertielle des instabilités observées provient du déconfinement et de la flexion des chaînes de force ainsi que des déformations plastiques importantes résultant de leur effondrement. Par leur capacité à enrayer rapidement le développement de telles déformations plastiques, il est montré que les particules libres contribuent à assurer la stabilité mécanique des matériaux granulaires. Ce résultat est fondamental pour analyser les conséquences de l’érosion interne en termes de stabilité mécanique car les particules libres sont facilement transportables sous l’action d’un écoulement interne. Selon si elles sont colmatées ou érodées, un écoulement interne aura un effet stabilisateur ou déstabilisateur vis-à-vis du comportement mécanique des matériaux granulaires soumis à l’érosion interne / Dikes are most of the time built of compacted granular materials that are permeable and continuously subjected to internal fluid flows. In some cases, microstructure modifications resulting from internal erosion generate mechanical instability that will lead to unexpected failures in case of serious flooding. This thesis focuses on multi-scale analysis of mechanical instability in granular materials subjected to internal erosion. In this work, the mechanical behavior of such materials is simulated in three dimensions at the scale of representative elementary volumes subjected to different stress states and hydraulic gradients. Thanks to the use of the second order work criterion and micromechanical tools, the mechanical stability of these materials is tested before and after internal erosion. It is established that the micro-inertial origin of the observed instabilities is linked to force chain deconfinement and bending as well as to the development of large plastic strains resulting from force chain collapse. By preventing the development of such plastic strains, it is shown that rattlers contribute to ensure the mechanical stability of granular materials. This key finding is of a particular significance in relation with internal erosion as rattlers can be easily transported under the action of an internal fluid flow. Depending on whether they get clogged or eroded, an internal fluid flow has thus either a stabilizing or a destabilizing effect on the mechanical behavior of granular materials subjected to internal erosion

Les propriétés physiques macroscopiques des matériaux granulaires découlent directement de leurs micro-structures. L'étude de tels matériaux nécessite la segmentation de leur structures 3D à partir d'images acquises par CT-scans. Cependant, ces images sont parfois difficiles à analyser, car de nombreux défauts et artefactes de reconstruction peuvent apparaître. Obtenir des structures 3D proches des données réelles nécessite un filtrage adapté, qui ne peut être obtenu que par une analyse approfondie du matériaux.Un filtrage adapté améliore la perception de chacun des grains et la structure 3D peut être alors obtenue par segmentation. La complexité de ces structures rend la tâche difficile : les grains qui la représentent prennent des formes irrégulières, allongées et pas nécessairement convexes. Ces grains sont généralement fortement agglomérés et difficiles à séparer. De plus, des phénomènes de fracturation sont fréquemment observés. Les grains sont éclatés en petits fragments pouvant s'éloigner de la position d'origine du grain.Dans le cadre de cette thèse, une chaîne complète de segmentation est présentée. Les données brutes d'acquisition sont tout d'abord filtrés et pré-traités pour en extraire un certain nombre de mesures statistiques , telles que le nombre de phase, le nombre de grains de chaque phase, la distribution des tailles de grains et l'identification spectral de chaque phase. Une première segmentation grossière est effectuée en utilisant la transformation de ligne de partage des eaux. Une hiérarchie des contours obtenus permet d'éliminer la sur-segmentation. Enfin, une méthode permettant d'évaluer la similitude entre deux bords adjacents est présenté, et nous permettera de réassembler les grains fragmentés, dont les fragments ont été dispersés.Les acquitions par CT-scan sont conséquentes et leur étude nécessite une utilisation efficace des architectures récentes de calcul. Le choix de la chaîne de traitement est basé sur l'étude de l'état de l'art et son application aux données 3D, avec comme objectif d'équilibrer les coûts de traitement et la qualité de la segmentation. Une nouvelle méthode de segmentation nous permet d'atteindre de meilleurs performances en améliorant également la qualité des résultats. Enfin, deux nouveaux algorithmes sont proposés pour la détection de composantes connexes et la transformation de ligne de partage des eaux. / The physical properties of granular materials on a macroscopic scale derive from their microstructures. The segmentation of CT-images of this type of material is the first step towards simulation and modeling but it is not a trivial task. However, the quality of those images is often affected by the presence of noise and reconstruction artefacts. Obtaining 3D structures that fit the reality requires an adapted filter, which can only be obtained by a complete analysis of the material.This adapted filter enhances each grain and the full structure of the material is obtained by segmentation. However, non-spherical, elongated or non-convex objects fail to be separated with classical methods. Moreover, grains are commonly fragmented due to external conditions. Grains are ground into multiple fragments of different shape and volume; those fragments drift from one another in the binder phase.In this thesis, a complete process chain is proposed to segment complex structures that can be acquired by CT-scan. The raw data is first filtered and processed, and statistical features are extracted such as the number of phases, the number of grains of each phase, the size distribution and spectral identification of the phases. A primary segmentation is performed to identify every connection between touching grains and is based on the watershed transform. A hierarchy is built on the obtained contours to eliminate over-segmentation. Reconstruction of grains from fragments is achieved using affinities that match the local thickness and the regularity of the interface.Typical CT-images are voluminous, and the study of granular materials requires efficient use of modern computing architectures. Studying the state-of-the-art and its application to 3D data has oriented our choice has allowed us to balance the quality of segmentation and the computing cost. A novel segmentation method allows for higher performances while improving the quality of the result. Finally, two new algorithms are proposed for the labeling of connected components and for the watershed transformation.