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.

La maçonnerie est une technique de construction très ancienne qui est toujours d'utilisation très répandue sous toutes les latitudes. Elle fait appel à deux éléments essentiels : des blocs et des joints, qui peuvent être éventuellement remplis de mortier. Le matériau obtenu peut être considéré comme continu ou discontinu, selon les propriétés relatives des blocs et des joints. Les blocs sont souvent en pierre, en brique crue ou cuite. Les mortiers sont généralement à base de chaux, de ciment ou d'un mélange de ces deux composants. Depuis l'apparition du béton au XIX° siècle, les calculs se sont concentrés sur des approches continues, et les techniques de conception des maçonneries ont peu bénéficié des avancées scientifiques, et du développement d'outils de calcul largement utilisés dans les bureaux d'études. Corrélativement à cette évolution, la maçonnerie a perdu des parts de marché de la construction, et les méthodes et moyens mis en œuvre pour la conception d'ouvrages en maçonnerie n'ont pas été suffisamment modernisés. Dans ce contexte, le présent travail a pour ambition de contribuer au calcul de structures maçonnées, considérées comme des structures discontinues, avec l'objectif de servir au monde de l'entreprise et de l'architecture.L'échelle d'étude de la structure ou du matériau : comportement général de l'ensemble bâti, comportement d'un panneau de maçonnerie, comportement de l'interface mortier - bloc, ou des contacts blocs-blocs dans le cas de maçonnerie à joints vifs, conduit à l'utilisation de divers cadres théoriques, et méthodes analytiques ou numériques correspondantes. Après une analyse des avantages et inconvénients de diverses méthodes disponibles, numériques ou graphiques, dans le domaine de la mécanique et de l'architecture (stéréotomie), nous présentons en détail la méthode Non Smooth Contact Dynamics. Cette méthode, initiée à la fin du XX° siècle, par Jean-Jacques MOREAU et Michel JEAN, décrit de façon théorique, les conditions de mise en place des efforts de contact entre corps solides, déformables ou rigides, en 2D et 3D, en présence de chocs, et en présence de grands déplacements, ou rotations. Les conditions de non interpénétration entre corps sont régies par un formalisme spécialement développé dans le cadre de l'analyse convexe. Nous avons retenu ce cadre théorique, et utilisé une chaine logicielle développée sur ses bases, pour modéliser des structures réalistes, c'est-à-dire tridimensionnelles, soumises à des chargements dynamiques, et qui sont modernes, dans la mesure où elles intègrent une géométrie complexe, performante (économie de matière et esthétique) et la mise en œuvre d'une précontrainte, avec prise en compte de son phasage.L'exemple de la structure de l'escalier de Ridolfi est utilisé comme support à l'examen de divers paramètres d'optimisation du calcul réalisé avec la plateforme ouverte LMGC90, permettant à l'utilisateur de maîtriser en détail les diverses phases du calcul non-linéaire conduit. Les paramètres du calcul dont nous avons testé l'influence sont : le pas de temps, le critère de convergence, le nombre d'itérations gérées par l'algorithme de Gauss-Seidel, le critère de rétrécissement, le coefficient de frottement entre blocs, et l'intensité de la précontrainte mise en place par post tension dans les câbles. L'expérimentation conduite sur un modèle physique en vraie grandeur, est reconstituée, dans ses différentes phases, sur maquette numérique, et la pertinence des résultats obtenus par simulation est discutée.Les travaux ont été réalisés au Laboratoire de Mécanique et Génie Civil de l'Université Montpellier II et du CNRS, et au Laboratoire de Génie de l'Environnement Industriel de l'Ecole des Mines d'Alès. Leur financement a été assuré par le Ministère de l'Education et de la Formation du Vietnam, ainsi que par ARMINES. / Although it is an old construction technique, masonry is still world wide spread nowadays. It uses two main components: blocks and joints, which can be filled with mortar. The resulting material can be considered as continuous or discontinuous, according to the relative performances of the blocks and joints. The blocks are often made of stone, raw earth or brick. The mortars generally incorporate lime or cement or a mixture of those components. Since the discovery of modern concrete during the XIXth century, calculations have been performed in the framework of continuous methods, and the masonry design technics have not fully benefited from the scientific breakthrough, nor from the development of calculation tools used in design offices. Following this evolution, masonry lost some ground in the construction field, and methods and means used for the design of buildings have not been improved enough. In this context, the present work aims at contributing to the calculation of masonry structures, considered as discontinuous structures, with the ultimate goal to be of some use in the field of industry and architecture.The structure or material study scale: general behavior of the building, behavior of a masonry panel, or behavior of the bonding between the blocks and the mortar, or the block-block contacts for dry friction masonry, leads to the use of several theoretical frameworks, and associated analytical or numerical methods. After an analysis of the pros and cons of the different available methods, in the fields of mechanics and architecture (stereotomy), we will present in detail the Non Smooth Contact Dynamics method. This method, initiated at the end of the XXth century, by Jean-Jacques MOREAU et Michel JEAN, describes theoretically, the conditions of the development of contact forces between solids, whether able to support strains or rigid, in 2D or 3D, under the effects of shocks, large displacements or rotations. The conditions of no overlapping between the bodies are described by equations developed using the convex analysis concepts. We chose this theoretical framework, and used the software platform developed on these concepts, for modeling realistic structures that are modern, because they allow to take into account 3D structures with complex and efficient geometries (aesthetic point of view, economy of material), subjected to dynamical loads, and including the sequential set-up of pre-stressing technics.The example of the Ridolfi stair case is used as a support for the examination of several optimization parameters for the calculation performed on the LMGC90 open software, allowing the modeler to supervise in detail several steps of the performed non-linear calculations. The calculation parameters of which we have tested the influence are: the time step, convergence criterion, the iteration number considered in the Gauss-Siedel algorithm, the shrinkage criterion, the friction coefficient between blocks, and the pre-stressing strain applied in the post tension cables. The experiment carried out on a real size physical model is numerically simulated, and the consistency of the computed results is discussed.The work was carried out in the Mechanics and Civil Engineering Laboratory of the University of Montpellier II and the CNRS (French National Scientific Research Agency), and the Laboratory of Industrial Environment Engineering of Alès School of Mines. The funding was provided by the Ministry of Education and Training of Vietnam, and ARMINES.

This thesis presents a systematic numerical modeling framework to simulate the stress-deformation and coupled stress-deformation-flow processes by performing uniaxial and biaxial compressive tests on fractured rock models with considering the effects of different loading conditions, different loading directions (anisotropy), and coupled hydro-mechanical processes for evaluating strength and deformability behavior of fractured rocks. By using code UDEC of discrete element method (DEM), a series of numerical experiments were conducted on discrete fracture network models (DFN) at an established representative elementary volume (REV), based on realistic geometrical and mechanical data of fracture systems from field mapping at Sellafield, UK. The results were used to estimate the equivalent Young’s modulus and Poisson’s ratio and to fit the Mohr-Coulomb and Hoek-Brown failure criteria, represented by equivalent material properties defining these two criteria. The results demonstrate that strength and deformation parameters of fractured rocks are dependent on confining pressures, loading directions, water pressure, and mechanical and hydraulic boundary conditions. Fractured rocks behave nonlinearly, represented by their elasto-plastic behavior with a strain hardening trend. Fluid flow analysis in fractured rocks under hydro-mechanical loading conditions show an important impact of water pressure on the strength and deformability parameters of fractured rocks, due to the effective stress phenomenon, but the values of stress and strength reduction may or may not equal to the magnitude of water pressure, due to the influence of fracture system complexity. Stochastic analysis indicates that the strength and deformation properties of fractured rocks have ranges of values instead of fixed values, hence such analyses should be considered especially in cases where there is significant scatter in the rock and fracture parameters. These scientific achievements can improve our understanding of fractured rocks’ hydro-mechanical behavior and are useful for the design of large-scale in-situ experiments with large volumes of fractured rocks, considering coupled stress-deformation-flow processes in engineering practice. / <p>QC 20141111</p>

The study and modelling of two-phase flow, even the simplest ones such as the bubbly flow, remains a challenge that requires exploring the physical phenomena from different spatial and temporal resolution levels. CFD (Computational Fluid Dynamics) is a widespread and promising tool for modelling, but nowadays, there is no single approach or method to predict the dynamics of these systems at the different resolution levels providing enough precision of the results. The inherent difficulties of the events occurring in this flow, mainly those related with the interface between phases, makes that low or intermediate resolution level approaches as system codes (RELAP, TRACE, ...) or 3D TFM (Two-Fluid Model) have significant issues to reproduce acceptable results, unless well-known scenarios and global values are considered. Instead, methods based on high resolution level such as Interfacial Tracking Method (ITM) or Volume Of Fluid (VOF) require a high computational effort that makes unfeasible its use in complex systems. In this thesis, an open-source simulation framework has been designed and developed using the OpenFOAM library to analyze the cases from microescale to macroscale levels. The different approaches and the information that is required in each one of them have been studied for bubbly flow. In the first part, the dynamics of single bubbles at a high resolution level have been examined through VOF. This technique has allowed to obtain accurate results related to the bubble formation, terminal velocity, path, wake and instabilities produced by the wake. However, this approach has been impractical for real scenarios with more than dozens of bubbles. Alternatively, this thesis proposes a CFD Discrete Element Method (CFD-DEM) technique, where each bubble is represented discretely. A novel solver for bubbly flow has been developed in this thesis. This includes a large number of improvements necessary to reproduce the bubble-bubble and bubble-wall interactions, turbulence, velocity seen by the bubbles, momentum and mass exchange term over the cells or bubble expansion, among others. But also new implementations as an algorithm to seed the bubbles in the system have been incorporated. As a result, this new solver gives more accurate results as the provided up to date. Following the decrease on resolution level, and therefore the required computational resources, a 3D TFM have been developed with a population balance equation solved with an implementation of the Quadrature Method Of Moments (QMOM). The solver is implemented with the same closure models as the CFD-DEM to analyze the effects involved with the lost of information due to the averaging of the instantaneous Navier-Stokes equation. The analysis of the results with CFD-DEM reveals the discrepancies found by considering averaged values and homogeneous flow in the models of the classical TFM formulation. Finally, for the lowest resolution level approach, the system code RELAP5/MOD3 is used for modelling the bubbly flow regime. The code has been modified to reproduce properly the two-phase flow characteristics in vertical pipes, comparing the performance of the calculation of the drag term based on drift-velocity and drag coefficient approaches. / El estudio y modelado de flujos bifásicos, incluso los más simples como el bubbly flow, sigue siendo un reto que conlleva aproximarse a los fenómenos físicos que lo rigen desde diferentes niveles de resolución espacial y temporal. El uso de códigos CFD (Computational Fluid Dynamics) como herramienta de modelado está muy extendida y resulta prometedora, pero hoy por hoy, no existe una única aproximación o técnica de resolución que permita predecir la dinámica de estos sistemas en los diferentes niveles de resolución, y que ofrezca suficiente precisión en sus resultados. La dificultad intrínseca de los fenómenos que allí ocurren, sobre todo los ligados a la interfase entre ambas fases, hace que los códigos de bajo o medio nivel de resolución, como pueden ser los códigos de sistema (RELAP, TRACE, etc.) o los basados en aproximaciones 3D TFM (Two-Fluid Model) tengan serios problemas para ofrecer resultados aceptables, a no ser que se trate de escenarios muy conocidos y se busquen resultados globales. En cambio, códigos basados en alto nivel de resolución, como los que utilizan VOF (Volume Of Fluid), requirieren de un esfuerzo computacional tan elevado que no pueden ser aplicados a sistemas complejos. En esta tesis, mediante el uso de la librería OpenFOAM se ha creado un marco de simulación de código abierto para analizar los escenarios desde niveles de resolución de microescala a macroescala, analizando las diferentes aproximaciones, así como la información que es necesaria aportar en cada una de ellas, para el estudio del régimen de bubbly flow. En la primera parte se estudia la dinámica de burbujas individuales a un alto nivel de resolución mediante el uso del método VOF (Volume Of Fluid). Esta técnica ha permitido obtener resultados precisos como la formación de la burbuja, velocidad terminal, camino recorrido, estela producida por la burbuja e inestabilidades que produce en su camino. Pero esta aproximación resulta inviable para entornos reales con la participación de más de unas pocas decenas de burbujas. Como alternativa, se propone el uso de técnicas CFD-DEM (Discrete Element Methods) en la que se representa a las burbujas como partículas discretas. En esta tesis se ha desarrollado un nuevo solver para bubbly flow en el que se han añadido un gran número de nuevos modelos, como los necesarios para contemplar los choques entre burbujas o con las paredes, la turbulencia, la velocidad vista por las burbujas, la distribución del intercambio de momento y masas con el fluido en las diferentes celdas por cada una de las burbujas o la expansión de la fase gaseosa entre otros. Pero también se han tenido que incluir nuevos algoritmos como el necesario para inyectar de forma adecuada la fase gaseosa en el sistema. Este nuevo solver ofrece resultados con un nivel de resolución superior a los desarrollados hasta la fecha. Siguiendo con la reducción del nivel de resolución, y por tanto los recursos computacionales necesarios, se efectúa el desarrollo de un solver tridimensional de TFM en el que se ha implementado el método QMOM (Quadrature Method Of Moments) para resolver la ecuación de balance poblacional. El solver se desarrolla con los mismos modelos de cierre que el CFD-DEM para analizar los efectos relacionados con la pérdida de información debido al promediado de las ecuaciones instantáneas de Navier-Stokes. El análisis de resultados de CFD-DEM permite determinar las discrepancias encontradas por considerar los valores promediados y el flujo homogéneo de los modelos clásicos de TFM. Por último, como aproximación de nivel de resolución más bajo, se investiga el uso uso de códigos de sistema, utilizando el código RELAP5/MOD3 para analizar el modelado del flujo en condiciones de bubbly flow. El código es modificado para reproducir correctamente el flujo bifásico en tuberías verticales, comparando el comportamiento de aproximaciones para el cálculo del término d / L'estudi i modelatge de fluxos bifàsics, fins i tot els més simples com bubbly flow, segueix sent un repte que comporta aproximar-se als fenòmens físics que ho regeixen des de diferents nivells de resolució espacial i temporal. L'ús de codis CFD (Computational Fluid Dynamics) com a eina de modelatge està molt estesa i resulta prometedora, però ara per ara, no existeix una única aproximació o tècnica de resolució que permeta predir la dinàmica d'aquests sistemes en els diferents nivells de resolució, i que oferisca suficient precisió en els seus resultats. Les dificultat intrínseques dels fenòmens que allí ocorren, sobre tots els lligats a la interfase entre les dues fases, fa que els codis de baix o mig nivell de resolució, com poden ser els codis de sistema (RELAP,TRACE, etc.) o els basats en aproximacions 3D TFM (Two-Fluid Model) tinguen seriosos problemes per a oferir resultats acceptables , llevat que es tracte d'escenaris molt coneguts i se persegueixen resultats globals. En canvi, codis basats en alt nivell de resolució, com els que utilitzen VOF (Volume Of Fluid), requereixen d'un esforç computacional tan elevat que no poden ser aplicats a sistemes complexos. En aquesta tesi, mitjançant l'ús de la llibreria OpenFOAM s'ha creat un marc de simulació de codi obert per a analitzar els escenaris des de nivells de resolució de microescala a macroescala, analitzant les diferents aproximacions, així com la informació que és necessària aportar en cadascuna d'elles, per a l'estudi del règim de bubbly flow. En la primera part s'estudia la dinàmica de bambolles individuals a un alt nivell de resolució mitjançant l'ús del mètode VOF. Aquesta tècnica ha permès obtenir resultats precisos com la formació de la bambolla, velocitat terminal, camí recorregut, estela produida per la bambolla i inestabilitats que produeix en el seu camí. Però aquesta aproximació resulta inviable per a entorns reals amb la participació de més d'unes poques desenes de bambolles. Com a alternativa en aqueix cas es proposa l'ús de tècniques CFD-DEM (Discrete Element Methods) en la qual es representa a les bambolles com a partícules discretes. En aquesta tesi s'ha desenvolupat un nou solver per a bubbly flow en el qual s'han afegit un gran nombre de nous models, com els necessaris per a contemplar els xocs entre bambolles o amb les parets, la turbulència, la velocitat vista per les bambolles, la distribució de l'intercanvi de moment i masses amb el fluid en les diferents cel·les per cadascuna de les bambolles o els models d'expansió de la fase gasosa entre uns altres. Però també s'ha hagut d'incloure nous algoritmes com el necessari per a injectar de forma adequada la fase gasosa en el sistema. Aquest nou solver ofereix resultats amb un nivell de resolució superior als desenvolupat fins la data. Seguint amb la reducció del nivell de resolució, i per tant els recursos computacionals necessaris, s'efectua el desenvolupament d'un solver tridimensional de TFM en el qual s'ha implementat el mètode QMOM (Quadrature Method Of Moments) per a resoldre l'equació de balanç poblacional. El solver es desenvolupa amb els mateixos models de tancament que el CFD-DEM per a analitzar els efectes relacionats amb la pèrdua d'informació a causa del promitjat de les equacions instantànies de Navier-Stokes. L'anàlisi de resultats de CFD-DEM permet determinar les discrepàncies ocasionades per considerar els valors promitjats i el flux homogeni dels models clàssics de TFM. Finalment, com a aproximació de nivell de resolució més baix, s'analitza l'ús de codis de sistema, utilitzant el codi RELAP5/MOD3 per a analitzar el modelatge del fluxos en règim de bubbly flow. El codi és modificat per a reproduir correctament les característiques del flux bifàsic en canonades verticals, comparant el comportament d'aproximacions per al càlcul del terme de drag basades en velocitat de drift flux model i de les basades en coe / Peña Monferrer, C. (2017). Computational fluid dynamics multiscale modelling of bubbly flow. A critical study and new developments on volume of fluid, discrete element and two-fluid methods [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90493