Dans le cadre du procédé de revêtement de surface Cold Spray, un modèle numérique d’impact de particule sur substrat à haute vitesse est créé, ainsi qu’une nouvelle interaction adhésive, dans le logiciel de dynamique explicite du CEA Europlexus. Le modèle utilise des Éléments Finis et la méthode sans maillage SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) avec la loi matériau de Johnson-Cook, couramment utilisée pour modéliser les métaux à des vitesses de déformation élevées et prenant en compte le durcissement plastique, le durcissement en vitesse de déformation, et l’assouplissement thermique. L’interaction adhésive est basée sur les modèles de zone cohésive de Dugdale-Barenblatt et Griffith, avec une limite sur la contrainte cohésive et la rupture de l’adhésion dictée par l’énergie dissipée. L’étude de cette interaction dans le cas des corps déformables à haute vitesse de déformation montre que le type de modèle cohésif utilisé impacte directement et de façon très prononcée les résultats du calcul. L’interaction adhésive est ensuite liée à un mécanisme physique connu pour être la raison majeure de l’adhésion entre métaux lors du procédé Cold Spray : l’instabilité en cisaillement à l’interface de contact (présente dans la simulation grâce à une loi d’endommagement). Pour ce faire, un critère d’activation de l’adhésion est créé, basé sur une chute de la valeur locale de limite élastique du matériau. Ce critère permet de retrouver le phénomène de vitesse critique nécessaire pour l’adhésion de la particule lors du procédé. Un critère de rupture de l’adhésion supplémentaire est ajouté, basé sur la valeur de l’endommagement dans les éléments collés, et permet de retrouver le phénomène de vitesse maximale pour l’adhésion de la particule. Le modèle complet, construit sur des principes physiques, est ainsi capable de simuler le phénomène d’adhésion Cold Spray. Des tests de dureté et images EBSD sont aussi présentés et comparés aux résultats numériques. / In the context of the Cold Spray process, a numerical model of a single particle impact is developed. The point of interest is the adhesion of the particle to the substrate, thus an adhesive interaction model is also created. The impact model uses the Smooth Particle Hydrodynamics and/or the Finite Elements methods, with a Johnson-Cook material law, commonly used for metals at high strain rates, which takes into account strain hardening, strain rate hardening and thermal softening. The adhesive interaction is a Griffith and Dugdale-Barenblatt cohesive model with energy dissipation and a limit on the cohesive stress. Using this model it is shown that in the case of fast dynamics and deformable bodies, not only the adhesion parameters but also the type of model has an influence on the results. The adhesion model is also, contrary to previous works, linked with an actual physical mechanism known to induce adhesion in Cold Spray: a shear stress instability at the interface. This is done by adding an activation criterion to the cohesive model. This criterion is defined as a local drop in yield strength on either element in contact. Only when this criterion is locally met are the cohesive stresses applied and cohesive energy dissipated. The result is the apparition of a critical velocity, under which adhesion cannot occur due to either not enough initial kinetic energy to create an instability at the interface, or not enough adhesive surface created to keep the particle from rebounding. For the model to localize and undergo shear banding/shear instability, a damage value is added to the material law. An erosion criterion is then implemented in the cohesive model to remove the cohesive stresses from highly damaged parts of the adhesive surface. This results at high impact speeds in a maximal velocity above which the interfacial material is too damaged to sustain adhesion and prevent the particle from rebounding. A deposition behavior similar to the Cold Spray process is then observed, with a range of low velocities without any adhesion of the particle, then a critical speed initiating a velocity range of adhesion of the particle, and finally a maximum speed above which the interface is too damaged to sustain the adhesion. A set of experimental observations is also carried out to better understand the actual microstructural dynamics and changes at the interface of 1 mm copper particles impacted on copper. The results are compared to simulations and the use of the macroscopic Johnson-Cook law at a microscopic level is validated.

Atualmente diversos produtos são fabricados por meio de injeção de polímeros, num processo denominado moldagem por injeção: material fundido é injetado em um molde no qual resfria e endurece. Contudo, ao contrário de outros processos de produção, a qualidade da peça criada por meio de moldagem por injeção não depende apenas do material e da sua forma geométrica, mas também da maneira na qual o material é processado durante a moldagem. Por esse motivo, o uso de modelagem matemática e simulações numéricas tem aumentado consideravelmente como maneira de auxiliar o processo de produção e tem-se tornado uma ferramenta indispensável. Desta forma, este projeto tem o propósito de simular o escoamento de fluidos durante a fase de preenchimento do processo de moldagem por injeção, utilizando o modelo 21/2-dimensional, composto por uma equação bidimensional para a pressão, conhecida como equação de Hele-Shaw, e uma equação tridimensional para a temperatura do fluido. Um modelo bidimensional para a temperatura é também desenvolvido e apresentado. Este projeto de doutorado propõe duas estratégias numéricas para a solução da equação de Hele-Shaw. A primeira delas é baseada em uma formulação euleriana do método Smoothed Particle Hydrodynamics, onde os pontos utilizados na discretização não se movem, e não há utilização de malhas. A segunda estratégia é baseada na criação de malhas dinamicamente construídas na região do molde que já encontra-se parcialmente cheio de fluido e subseqüente aplicação do método Control Volume Finite Element Method. Uma estratégia dinâmica do método semi lagrangeano é apresentada e aplicada à solução da equação bidimensional da temperatura. O projeto também pretende investigar três novas abordagens para o tratamento da superfície livre. Duas delas são baseadas na técnica Volume of Fluid e uma delas é uma adaptação meshless do método Front-Tracking. O comportamento não newtoniano do fluido é caracterizado por uma família de modelos de viscosidade. Testes numéricos indicando a confiabilidade das metodologias propostas são conduzidos / Currently, several plastic products are manufactured by polymer injection, in a process named injection molding: molten material is injected into a thin mold where it cools and solidifies. However, unlike other manufacturing processes, the quality of injection-molded parts depends not only on the material and shape of the part, but also on how the material is processed throughout the molding. For this reason, the use of mathematical modelling and numerical simulations has been increasing in order to assist in the manufacturing process, and it has become an essential tool. Therefore, this Sc.D. project has the purpose of simulating the fluid flow during the filling stage of the injection molding process, using the 21/2-dimensional model, compounded by a two-dimensional equation for the pressure field (also known as Hele-Shaw equation) and a three-dimensional equation for the temperature of the fluid. A simpler two-dimensional model for the temperature field is also derived and presented. This project proposes two novel numerical strategies for the solution of Hele-Shaw equation. The first one is based on an Eulerian formulation of the Smoothed Particle Hydrodynamics method, where the particles used in the discretization do not move along as the simulation evolves, thereby avoing the use of meshes. In the second strategy, local active dual patches are constructed on-the-fly for each active point to form a dynamic virtual mesh of active elements that evolves with the moving interface, then the Control Volume Finite Element Method is applied for the pressure field approximation. A dynamic approach of the semi-Lagrangian scheme is applied to the solution of the two-dimensional temperature equation. The project also assesses three new approaches for the treatment of the free surface of the fluid flow. Two of them are based on the Volume of Fluid technique and one of them is a meshless adaptation of the Front-Tracking method. The non-Newtonian behavior is characterized by a family of generalized viscosity models. Supporting numerical tests and performance studies, which assess the accuracy and the reliability of the proposed methodologies, are conducted

Cette thèse porte sur le développement d’une nouvelle technique de modélisation des problèmes IFS utilisant les méthodes particulaires. Ce travail s’inscrit dans la continuité des travaux de recherche de l’équipe biomécanique du LAMIH, concernant la compréhension du comportement de l’os humain dans son environnement de moelle osseuse. La méthode SPH a été utilisée pour la modélisation des travées osseuses, supposées dans une première approche comme des solides élastiques. La méthode LB a été développée pour la modélisation des écoulements de moelle considérée comme un fluide visqueux incompressible. L’efficacité et la performance de ces deux méthodes ont été démontrées grâce aux benchmarks académiques évalués et les résultats comparés à ceux de la littérature ou ceux obtenus par des logiciels commerciaux. A l’issue d’une revue de l’état de l’art des techniques de couplage fluide-structure, une approche partitionnée en temps a été choisie, permettant d’utiliser deux codes distincts basés sur des algorithmes de résolution de type dynamique explicite. La discrétisation spatiale est faite par une technique spécifique basée sur les domaines fictifs, cette technique est très efficace car elle ne nécessite pas de rediscrétisation des domaines. L’approche de couplage développée a été appliquée à des benchmarks académiques ainsi qu’à une application en biomécanique, ayant permis d’aboutir à des résultats numériques satisfaisants. Plusieurs pistes d’amélioration sont maintenant nécessaires afin d’aller vers des modélisations plus biofidèles telles que la prise en compte du contact et de l’endommagement. / The objective of this thesis is the development of a new technique for the FSI problems modelling using particulars methods. This work is in the continuity of the LAMIH biomechanics team research works, regarding the comprehension of behavior of bone in its environment of marrow. The SPH method was used for the trabeculae modelling, supposed in a first attempt as an elastic solid. The LB method was developed for the marrow flow modelling considered as a viscous incompressible liquid. The efficacy and performance of these two methods were demonstrated using academics benchmarks which were evaluated and the results were compared of those of literature and of those obtained from commercials softwares. Following a bibliographic review of FSI coupling techniques, a partitioned approach in time was chosen, allowing the use of two separates codes, both based on a dynamic explicit algorithm resolution scheme. The special discretization was done based on a specific technique of fictional domain, this technique is very efficient because it doesn’t require an additional domain discretization. The coupling approach developed was applied on academic benchmarks and on a biomechanical application, leading to satisfactory numerical results. Many Improvement track are now necessary to go towards more biofidelic modeling as taking into account the contact and the damage.

A mesh-less method for solving incompressible, multi-phase flow problems has been developed and is discussed along with the presentation of benchmark results showing good agreement with theoretical and experimental results. Results of a systematic, parametric study of the single phase flow around a 2D circular cylinder at Reynolds numbers up to 1000 are presented and discussed. Simulation results show good agreement with experimental results. Extension of the method to deal with multiphase flow including liquid-to-vapor phase transition along with applications to cavitating flow are discussed. Insight gleaned from numerical experiments of the cavity closure problem are discussed along with recommendations for additional research. Several conclusions regarding the use of the method are made.

Le récent développement des menaces terroristes renforce l'effort de recherche du CEA et d'EDF pour la protection des citoyens et des installations. De nombreux scénarios doivent être envisagés comme, par exemple, la chute d'un avion de ligne sur une structure de génie civil. La dispersion du carburant dans la structure, son embrasement sous forme de boule de feu et les effets thermiques associés sont des éléments essentiels du problème. L'utilisation de modèles numériques est indispensable car des expériences seraient difficiles à mettre en œuvre, coûteuses et dangereuses. Le problème type que l'on cherche à modéliser est donc l'impact d'un réservoir rempli de fluide, sa déchirure et la dispersion de son contenu. C'est un problème complexe qui fait intervenir une structure mince avec un comportement fortement non-linéaire allant jusqu'à rupture, un fluide dont la surface libre peut varier drastiquement et des interactions fluide-structure non permanentes. L'utilisation des méthodes numériques traditionnelles pour résoudre ce problème semble difficile, essentiellement parce qu'elles reposent sur un maillage. Cela complique la gestion des grandes déformations, la modélisation des interfaces variables et l'introduction de discontinuités telles que les fissures. Afin de s'affranchir de ces problèmes, la méthode sans maillage SPH (\og Smoothed Particle Hydrodynamics \fg) a été utilisée pour modéliser le fluide et la structure. Ce travail, inscrit dans la continuité de recherches précédentes, a permis d'étendre un modèle de coque SPH à la modélisation des ruptures. Un algorithme de gestion des interactions fluide-structure a également été adapté à la topologie particulière des coques. Afin de réduire les coûts de calcul importants liés à ce modèle, un couplage avec la méthode des éléments finis a également été élaboré. Il permet de n'utiliser les SPH que dans les zones d'intérêt où la rupture est attendue. Finalement, des essais réalisés par l'ONERA sont étudiés pour valider la méthode. Ces travaux ont permis de doter le logiciel de dynamique rapide Europlexus d'un outil original et efficace pour la simulation des impacts de structures minces en interaction avec un fluide. Un calcul démonstratif montre enfin la pertinence de l'approche et sa mise en œuvre dans un cadre industriel.

L'érosion est un phénomène d'arrachage et de transport de particules solides par des efforts hydrauliques au sein des ouvrages hydrauliques. Cette pathologie très représentée dans les ouvrages en terre peut conduire à la rupture, aussi, la comprendre et la maîtriser constituent des enjeux sociétaux et industriels très forts. L'érodabilité des matériaux se caractérise au travers notamment d'un essai dit d'érosion de conduit et sa modélisation numérique constitue le pivot de ce travail de thèse. Le phénomène d'érosion est un problème couplé entre le fluide et le solide et nous utiliserons deux codes construits sur des approches particulaires pour aborder le problème : ASPHODEL (ANDRITZLMFA) pour la partie fluide (méthode SPH-ALE Smoothed Particle Hydrodynamics - Arbitrary Lagrangian Eulerian) et YADE (L3S-R) pour la fraction solide (méthode DEM Discrete Element Method). Alors que YADE a été largement utilisé pour modéliser des problèmes géotechniques, ASPHODEL n'a pas encore été évalué dans un tel contexte. Ce travail constituera alors une étude de faisabilité pour l'utilisation d'ASPHODEL dans un contexte du génie civil et donnera les conditions pour espérer obtenir des résultats quantitatifs pour les phénomènes étudiés. Dans un deuxième temps, le couplage entre les deux codes sera construit dans le but d'étudier les phénomènes d'arrachage de particules le long de conduits formés à travers des matériaux granulaires cohérents. La validation du code ASPHODEL à l'échelle de la particule a été effectuée par l'étude de l'écoulement visqueux autour d'un objet 2D (cylindre) fixe et isolé de section circulaire mais aussi carrée ou triangulaire. Les forces de trainée, de portance, le coefficient de pression autour du cylindre et le nombre de Strouhal sont comparés à des résultats issus de la littérature pour différents Reynolds en régime laminaire. La validation du code ASPHODEL à l'échelle de l'échantillon a consisté à étudier un écoulement fluide entre des parois lisses ainsi que des parois constituées de particules solides fixes créant une rugosité. Le coefficient de frottement a été systématiquement calculé et comparé aux résultats issus de la littérature et le torseur fluide sur chaque particule solide des parois a été aussi évalué. Enfin, le couplage partitionné entre les deux codes fluide et solide a été construit et validé qualitativement pour le problème de la sédimentation sous gravité d'un grain solide rigide dans un fluide visqueux.

Στην παρούσα ειδική ερευνητική εργασία μελετήθηκε η αγωγιμότητα σκότους και η μεταβατική φωτοαγωγιμότητα στο κενό και στον αέρα δειγμάτων υπό μορφή δισκίων συμπιεσμένης σκόνης διοξειδίου του τιτανίου (με την εμπορική ονομασία Evonik-Degussa (P25)) και δειγμάτων UP25 που προέκυψαν μετά από ανάμιξη σκόνης P25 και ουρίας (urea NH2CONH2) σε αναλογία βάρους 1:1, και τα οποία ψήθηκαν για 1 ώρα στους 450oC. Κατά το ψήσιμο καίγεται η ουρία και τροποποιεί την επιφάνεια του TiO2. Η αγωγιμότητα σκότους του δείγματος UP25 είναι μεγαλύτερη στο κενό από την αντίστοιχη του P25, γεγονός που αποδίδεται στην παρουσία της ουρίας, η οποία εισάγει κενές θέσεις οξυγόνου που δρουν σαν δότες ηλεκτρονίων. Στον αέρα η αγωγιμότητα σκότους του δείγματος UP25 είναι μικρότερη από την αντίστοιχη του P25 και αυτό οφείλεται στην προσρόφηση μορίων οξυγόνου στην επιφάνεια του TiO2, τα οποία δεσμεύουν ηλεκτρόνια και στην παρουσία αζώτου (από την ουρία), το οποίο εμποδίζει την προσρόφηση υγρασίας. Η φωτοαγωγιμότητα στο κενό φθάνει σε υψηλές τιμές και στα δυο δείγματα και εμφανίζεται ιδιαίτερα ευαίσθητη στο περιβάλλον. Η μεταβατική φωτοαγωγιμότητα αυξάνει με αργό ρυθμό στο κενό, φθάνοντας στον κόρο μετά από ημέρες και είναι σημαντικά μεγαλύτερη από αυτήν στον αέρα. Η «αύξηση» και η «μείωση» της φωτοαγωγιμότητας στον αέρα είναι πιο γρήγορη από την αντίστοιχη στο κενό και στα δυο δείγματα λόγω επανασύνδεσης. Στον αέρα η διαδικασία της επανασύνδεσης είναι ιδιαίτερα έντονη στο δείγμα UP25, καθώς η παρουσία του αζώτου μειώνει δραματικά την φωτοαγωγιμότητα λόγω της δημιουργίας μεγάλου αριθμού κέντρων επανασύνδεσης. / In the present master thesis, dark conductivity and transient photoconductivity in vacuum and in air were studied in samples of titania powder P25, which is a commercial product of Evonik-Degussa, and of UP25, prepared by mixing P25 and urea (NH2CONH2) powders in 1:1 weight ratio and consequent calcinations at 450 oC for 1 hour, in the form of pellet. The dark conductivity of UP25 is greater in vacuum than the corresponding one of P25 and this effect is attributed to urea’s presence, which introduces oxygen vacancies, that behave like electron donors. The dark conductivity in air of UP25 is lower than the corresponding one of P25, which is attributed to oxygen molecules adsorption on TiO2’s surface, which act as electron scavenger and nitrogen’s presence (by urea), which prevents water’s absorption. Photoconductivity in vacuum reaches very high values in both samples and is sensitive on the environment. Transient photoconductivity rises slowly in vacuum, saturating in days, and is much larger than that in air. The rise and the decay of the photoconductivity in air are faster than in vacuum for both samples, due to recombination. In air, the recombination process is significant mainly in sample UP25 since the nitrogen presence creates a large amount of recombination centers causing an important decrease of photoconductivity.

This thesis presents a two-phase liquid-solid numerical model using Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). The scheme is developed for multi-phase flows in industrial tanks containing sediment used in the nuclear industry for decommissioning. These two-phase liquid-sediments flows feature a changing interfacial profile, large deformations and fragmentation of the interface with internal jets generating resuspension of the solid phase. SPH is a meshless Lagrangian discretization scheme whose major advantage is the absence of a mesh making the method ideal for interfacial and highly non-linear flows with fragmentation and resuspension. Emphasis has been given to the yield profile and rheological characteristics of the sediment solid phase using a yielding, shear and suspension layer which is needed to predict accurately the erosion phenomena. The numerical SPH scheme is based on the explicit treatment of both phases using Newtonian and non-Newtonian Bingham-type constitutive models. This is supplemented by a yield criterion to predict the onset of yielding of the sediment surface and a suspension model at low volumetric concentrations of sediment solid. The multi-phase model has been compared with experimental and 2-D reference numerical models for scour following a dry-bed dam break yielding satisfactory results and improvements over well-known SPH multi-phase models. A 3-D case using more than 4 million particles, that is to the author’s best knowledge one of the largest liquid-sediment SPH simulations, is presented for the first time. The numerical model is accelerated with the use of Graphic Processing Units (GPUs), with massively parallel capabilities. With the adoption of a multi-phase model the computational requirements increase due to extra arithmetic operations required to resolve both phases and the additional memory requirements for storing a second phase in the device memory. The open source weakly compressible SPH solver DualSPHysics was chosen as the platform for both CPU and GPU implementations. The implementation and optimisation of the multi-phase GPU code achieved a speed up of over 50 compared to a single thread serial code. Prior to this thesis, large resolution liquid-solid simulations were prohibitive and 3-D simulations with millions of particles were unfeasible unless variable particle resolution was employed. Finally, the thesis addresses the challenging problem of enforcing wall boundary conditions in SPH with a novel extension of an existing Modified Virtual Boundary Particle (MVBP) technique. In contrast to the MVBP method, the extended MVBP (eMVBP) boundary condition guarantees that arbitrarily complex domains can be readily discretized ensuring approximate zeroth and first order consistency for all particles whose smoothing kernel support overlaps the boundary. The 2-D eMVBP method has also been extended to 3-D using boundary surfaces discretized into sets of triangular planes to represent the solid wall. Boundary particles are then obtained by translating a full uniform stencil according to the fluid particle position and applying an efficient ray casting algorithm to select particles inside the fluid domain. No special treatment for corners and low computational cost make the method ideal for GPU parallelization. The models are validated for a number of 2-D and 3-D cases, where significantly improved behaviour is obtained in comparison with the conventional boundary techniques. Finally the capability of the numerical scheme to simulate a dam break simulation is also shown in 2-D and 3-D.

Le rotomoulage réactif est un procédé de fabrication de pièces creuses en polymère où la synthèse du matériau intervient pendant la mise en œuvre. Cette méthode présente plusieurs avantages comparée à la méthode traditionnelle utilisant des poudres thermoplastiques : réduction du temps de cycle, utilisation possible de matériaux techniques, et baisse de la consommation d'énergie et du coût des matières premières. Cependant le rotomoulage réactif est plus complexe à mettre en œuvre car la polymérisation provoque un changement important et rapide de la viscosité. Une des solutions pour optimiser ce procédé est de simuler l'écoulement du système réactif pendant la mise en œuvre.Pour ce travail nous avons utilisé un polyuréthane thermodurcissable. Des analyses thermiques et rhéologiques ont permis d'étudier les phénomènes de gélification et de vitrification du matériau et le diagramme Temps-Température-Transformation a été établi. Le comportement rhéocinétique du système a également été modélisé.Le procédé a été simulé en utilisant un code de calcul basé sur la méthode « Smoothed Particle Hydrodynamics » (SPH). Ce code a été développé par notre équipe et plusieurs améliorations ont été apportées au cours de cette étude. Pour effectuer des simulations plus réalistes en utilisant un plus grand nombre de particules, la première amélioration a consisté à accélérer la résolution des calculs. Ensuite l'évolution de la viscosité a été prise en compte grâce à l'utilisation d'un modèle rhéocinétique et une nouvelle condition limite a été développée pour simuler l'adhésion du polymère sur la paroi du moule. Les modifications nécessaires à la simulation d'écoulements 3D ont également été apportées au code SPH. / Reactive rotational molding is a process to manufacture hollow plastic parts where synthesis occurs during the shaping. This method has several advantages compared to traditional rotomolding using thermoplastic powders: shorter cycle time, possible use of high performance materials, and decrease of energy consumption and raw materials costs. However reactive rotational molding is more complex to implement mainly because of the important and quick change of viscosity occurring during polymerization. One of the solutions to optimize this process is to simulate the reactive system flow during processing.In this work we used thermoset polyurethane as reactive system. Thanks to thermal and rheological analysis, gelation and vitrification phenomena were studied and Time-Temperature-Transformation diagram was established. Material chemiorheological behavior was also modeled.The process has been simulated using a solver based on Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method. This solver was developed in our research team and several improvements have been added during this study. To be able to simulate realistic flows with a high number of particles, the first improvement was to accelerate the resolution of calculations. Then the change of viscosity has been taken into account using a chemiorheological model and a new boundary condition was developed to simulate adhesion of polymer on the mold wall. To be able to simulate 3D flows, the needed modifications have been also added to the SPH solver.

<p>This thesis project addresses the need for an interactive, real-time water animation tech-<br> nique that can showcase visually convincing effects such as splashes and breaking waves while<br> being computationally inexpensive. Our method couples SPH and wave equations in a one-<br> way manner to simulate the behavior of water in real-time, leveraging OpenGL’s Compute<br> Shaders for interactive performance and a novel Uniform Grid implementation. Through a<br> review of related literature on real-time simulation methods of fluids, and water animation,<br> this thesis presents a feasible algorithm, animations to showcase interesting water effects,<br> and a comparison of computational costs between SPH, wave equations, and the coupled<br> approach. The program renders a water body with a planar surface and discrete particles.<br> This project aims to provide a solution that can meet the needs of various water animation<br> use-cases, such as games, and movies, by offering a computationally efficient technique that<br> can animate water to behave plausibly and showcase essential effects in real-time.</p>