Ce travail de thèse a pour objet d’analyser le processus de dissipation d’énergie dans les amortisseurs par milieux granulaires. Des études de nature expérimentale, analytique et numérique ont été menées afin de pouvoir détecter les paramètres clefs agissant sur la dissipation; un modèle expérimental minimal a été présenté en premier lieu afin de mettre en évidence l’efficacité des milieux granulaire en tant qu’amortisseurs de vibrations. Un second modèle expérimental plus élaboré a été développé, avec de multiples protocoles expérimentaux, pour mener une étude paramétrique et détecter leurs impacts sur l’évolution du facteur de perte du système. On montre que le coefficient de perte ne dépend pas du matériau des particules ou leur nombre, mais dépend fortement de la masse totale des grains embarqués et sur l’amplitude du signal vibrant. Nos mesures montrent aussi la contribution de l'écoulement visqueux de l'air entourant les grains au facteur de perte globale des amortisseurs.La partie analytique à son tour a permis de retrouver le comportement obtenu expérimentalement par le billet du développement des équations du mouvement du système, celle des énergie cinétique et énergie dissipée afin de proposer enfin une équation maitresse qui décrit l’évolution du facteur de perte réduit au sein de notre système. Pour atteindre une plus grande précision, une modélisation du système granulaire par la méthode des éléments discrets (DEM) a permis de retrouver les mêmes conclusions et ainsi valider les constatations expérimentales et le modèle analytique proposé. / This thesis aims to analyze the process of energy dissipation in particle dampersExperimental, analytical and numerical studies have been conducted in order to identify key parameters influencing the dissipation; minimal experimental model was introduced first to highlight the efficiency of granular media as shock absorbers of vibrations. A second more sophisticated experimental model was developed, with multiple experimental protocols, to conduct a parametric study and detect their impact on the evolution of the system loss factor. It is shown that the loss coefficient is independent of the particle material or their number, but depends strongly on the total mass of embedded grains and on the amplitude of the vibrating signal. Our measurements also show the contribution of viscous flow of the air surrounding the grains to the overall loss factor.The analytical part in turn led to the discovery The behaviour obtained experimentally by the development of the equations of motion of the system, that of kinetic energy dissipated and energy to finally offer a mistress equation which describes the evolution of the loss factor reduced within our system. To achieve greater accuracy, a model of the granular system by the discrete element method (DEM) allowed to find the same conclusions and thus validate the experimental findings and the proposed analytical model.

Au cours de cette thèse nous avons étudié expérimentalement les phases denses de disques polaires vibrés, un bon modèle de liquide actif.L'expérience consiste à mettre en vibration des disques durs designés avec deux pattes avant et arrière différentes. Cela leur confère une polarité et sous l'effet de la vibration les disques avancent avec persistance dans la direction de leur polarité.Il a été montré que ce disque polaire est un bon modèle de particule active. Par ailleurs, il a été observé que ces disques forment un liquide polaire ordonnée pour des fractions surfaciques autour de 0.40.Au cours de cette thèse nous avons travaillé à plus haute densité pour étudier la cristallisation de ce liquide actif. Nous avons observé une dynamique fortement intermittente au cours de laquelle des agrégats denses et ordonnés se forment mais se fragmentent sans cesse. Ce régime perdure jusqu'à la fraction surfacique de 0.83, la plus élevée que nous ayons pu atteindre dans un premier temps.Pour étudier l'existence éventuelle d'une phase cristalline stable, nous avons réalisé des expériences dans une enceinte hexagonale, où il est possible d'imposer des fractions surfaciques de l'ordre de 0.89 proche de celle de l'empilement hexagonal compact. Nous observons un cristal dans le cas où l'enceinte est totalement remplie, en revanche lorsque que l'on retire quelques disques le cristal se met à tourner de manière spectaculaire tout en conservant un ordre positionnel.Enfin, nous avons réalisé des expériences de mesures de pression mécanique. Nous avons observé que la pression mécanique exercée par les disques polaires dépend de la nature des murs de l'enceinte. On conclu que la pression mécanique n'est pas une variable d'état pour ce système. / During this thesis, we studied experimentally the dense phases of vibrated polar disks, a good model of active liquid.The experiment involves vibrating hard discs with two different front and rear legs. This provides them with a polarity such that they perform persistent directed motion when they are shaken vertically.These polar discs has been shown to be a good active particle model. Moreover, it has been observed that these disks form an ordered polar liquid for surface fractions around 0.40.During this thesis we worked at a higher density to study the crystallization of this active liquid. We observed a highly intermittent dynamics during which dense and ordered aggregates form but are constantly fragmented. This regime lasts until the surface fraction of 0.83, the highest that we have been able to reach at first.In order to study the possible existence of a stable crystal phase, we carried out experiments in a hexagonal arena, where it is possible to impose surface fractions of the order of 0.89 close to that of the compact hexagonal packing. We observe a crystal in the case where the arena is completely filled, however when removing a few discs the crystal flows and rotates spectacularly while maintaining a positional order.Finally, we carried out mechanical pressure measurement experiments. We have observed that the mechanical pressure exerted by the polar disks depends on the nature of the walls of the arena. We conclude that mechanical pressure is not a state variable for this system.

Integrated theoretical and experimental analysis is carried out in this work to investigate the fundamental failure mechanisms and flow patterns involved in the process of fluid injection into dense granular media. The experimental work is conducted with aqueous glycerin solutions, utilizing a novel setup based on a Hele-Shaw cell filled with dense dry sand. The two dimensional nature of the setup allows direct visualization and imaging analysis of the real-time fluid and grain kinematics. The experimental results reveal that the fluid flow patterns show a transition from simple radial flow to a ramified morphology while the granular media behaviors change from that of rigid porous media to localized failure that lead to development of fluid channels. Based on the failure/flow patterns, four distinct failure/flow regimes can be identified, namely, (i) a simple radial flow regime, (ii) an infiltration-dominated regime, (iii) a grain displacement-dominated regime, and (iv) a viscous fingering-dominated regime. These distinct failure/flow regimes emerge as a result of competition among various energy dissipation mechanisms, namely, viscous dissipation through infiltration, dissipation due to grain displacements, and viscous dissipation through flow in thin channels and can be classified based on the characteristic times associated with fluid injection, hydromechanical coupling and viscoelastoplasticity. The injection process is also analyzed numerically using the discrete element method (DEM) coupled with two fluid flow scheme, a fixed coarse grid scheme based on computational fluid dynamics (CFD) and a pore network modeling scheme. The numerical results from the two complementary methods reproduce phenomena consistent with the experimental observations and justify the concept of associating the displacement regimes with the partition among energy dissipation mechanisms. The research in this work, though fundamental in nature, will have direct impacts on many engineering problems in civil, environmental and petroleum engineering such as ground improvement, environmental remediation and reservoir stimulation.

Modeling and simulation of granular matter has important applications in both natural science and industry. One widely used method is the discrete element method (DEM). It can be used for simulating granular matter in the gaseous, liquid as well as solid regime whereas alternative methods are in general applicable to only one. Discrete element analysis of large systems is, however, limited by long computational time. A number of solutions to radically improve the computational efficiency of DEM simulations are developed and analysed. These include treating the material as a nonsmooth dynamical system and methods for reducing the computational effort for solving the complementarity problem that arise from implicit treatment of the contact laws. This allow for large time-step integration and ultimately more and faster simulation studies or analysis of more complex systems. Acceleration methods that can reduce the computational complexity and degrees of freedom have been invented. These solutions are investigated in numerical experiments, validated using experimental data and applied for design exploration of iron ore pelletising systems. / <p>This work has been generously supported by Algoryx Simulation, LKAB (dnr 223-</p><p>2442-09), Umeå University and VINNOVA (2014-01901).</p>

La raréfaction des combustibles fossiles et la prise en compte de plus en plus importante des enjeux environnementaux incite à rechercher de nouvelles pistes de production, stockage et transport de l’énergie. Le développement de la filière hydrogène dépend des améliorations de chacun de ces principaux maillons qui sont la production, le stockage, la distribution et l’utilisation de l’hydrogène.Cette thèse se consacre au stockage de l’hydrogène par absorption dans des matériaux solides pulvérulents composés d’hydrures intermétalliques. Les performances de ce type de stockage dépendent grandement de la gestion des échanges de chaleurs imposés par le caractère exothermique de la réaction d’hydruration (absorption d’hydrogène par le matériau) et respectivement le caractère endothermique de la réaction de déshydruration (désorption d’hydrogène par le matériau). Cette nécessité a guidé la conception des réservoirs vers une architecture interne cellulaire. Si la thermique des réservoirs est très étudiée, les mécanismes de gonflement-dégonflement cycliques des hydrures lors de l’absorption et la désorption d’hydrogène sont assez peu abordés dans la littérature. Pourtant, les interactions mécaniques de la poudre hydrure sur les parois des cellules peuvent remettre en cause l’intégrité du réservoir. La mécanique des milieux granulaires constitue ainsi un apport essentiel à l’analyse et à termes à la prédiction du comportement mécanique du lit de poudre hydrure au sein du réservoir.Cette thèse présente en premier lieu la caractérisation expérimentale du comportement mécanique d’un hydrure intermétallique Ti-Cr-V à différents états de cyclage sous hydrogène en cellule instrumentée en incluant l’analyse des mécanismes de gonflement-dégonflement. L’analyse du comportement mécanique est abordée par une approche de type mécanique des milieux granulaires basée principalement sur la méthode des éléments discrets (DEM). Ces travaux ont permis d’identifier les caractéristiques et le comportement mécanique de l’hydrure (granulométrie, compression en matrice, écoulement) ainsi que l’évolution de paramètres liés au cyclage. Les effets du mécanisme de réarrangement opérant lors du cyclage à l’échelle des grains d’hydrure ont pu être identifiés expérimentalement. En particulier, la variation de volume cyclique du matériau entraine un tassement progressif du lit de poudre, une diminution de la porosité et une augmentation des niveaux de contraintes. Ce comportement a été reproduit numériquement par des simulations impliquant des particules discrètes de formes sphériques et de formes agrégées complexes. / It is harder and harder to find fossil fuels and it becomes therefore more and more expensive. Furthermore the environmental impacts of energy are more and more taken into account. For those reasons new solutions to produce, store, transport energy are currently researched and/or developed. Among those solutions, hydrogen system could be a good solution depending and how its main parts (production, storage, supply and use) are improved.This PhD is relative to hydrogen storage in intermetallic hydride compouds. Hydrogen tanks using these kind of materials have to allow good thermal control of the hydride powder especially because of the exothermicity of the hydriding and endothermicity of the unhydriding reaction. That's why the internal architecture of these vessels are often cellular, the cell walls playing the role of a thermal conductor. If the thermal aspects relative to these tanks are often studied, it is not the case of the mechanical phenomenon induced by the swelling and shrinking of the grains during absorption and desorption of hydrogène by the material. However, the mechanical interaction between the powder and the cell walls could endanger the tank.This PhD consists of two main parts. The first part is a mechanical study of the behavior of a Ti-Cr-V compound while the second is a mechanical modelling and analysis mainly by the Discretes Elements Method (DEM). Thanks to this work the main features and mechanical properties of the hydride (granulometry, matrix compaction, granular flow, powder density …) and their evolution due to cycling were measured. The influence of hydride grains rearrangement induced by hydride breathing were analysed experimentally. It lead to a progressive densification of the powder bed in instrumented cells that resulted in a decrease of porosity and an increase of stresses on cell walls. This effect was reproduced in discrete elements simulations of spherical and clump particles.

Ce travail de thèse concerne l'étude numérique du transport par charriage d'un lit de grain dans un écoulement de Couette laminaire. La méthode numérique employée est un modèle de type Euler-Lagrange, où la taille de la cellule de calcul eulérienne est supérieure mais du même ordre de grandeur que le diamètre moyen des grains. Elle repose pour la phase fluide Eulérienne sur les équations de Navier-Stokes moyennées par un terme de porosité et pour la phase solide Lagrangienne sur les équations de Newton résolues pour chaque particule via une méthode aux éléments discrets. Un terme d'interaction fluide-particule permet de coupler les deux phases. Dans un premier temps, des simulations en petit domaine sont effectuées afin d'étudier l'influence du nombre de Shields , du nombre de Reynolds particulaire Rep et du rapport de densité p/f sur le transport granulaire. Nous montrons, en particulier, que ce modèle numérique permet de retrouver le seuil de mise en mouvement du lit granulaire et les lois de débit granulaire fonction de comme obtenus dans la littérature. De plus, il est mis en évidence que ce débit granulaire q ne dépend que plus faiblement de Rep et p/f. Dans un second temps, des simulations sur de longs domaines permettent d'observer l'influence de ces mêmes paramètres sur le développement d'instabilités. Plus particulièrement, le développement de l'instabilité de lit sur les temps courts et sur les temps longs sont discutés. / This work deals with local numerical simulations of laminar shear flow eroding a bed of spherical particles. The numerical method used is an Euler-Lagrange model, based on the resolution of the Navier-Stokes equations, averaged over cells containing several particles, and Newton's equations for the solid phase using the discrete element method (DEM). The averaging procedure brings out a solid volume fraction term for the fluid phase, which mimics the porosity of the effective medium. A fluid-particle interaction term enables a two-way coupling. Firstly simulations are performed on a relatively small domain, allowing to reach a steady state without any instability development. The influence of the Shields number , the particle Reynolds number Rep and the density ratio p/f is observed independently from each other. Simulations agrees well with experiments and lower scale simulations, giving a granular transport largely governed by the Shields number compared to the other dimensionless numbers and a pretty good estimation of the threshold Shields number c, which delineates static and moving bed. Secondly, simulations on a larger domain are performed in order to capture the formation and the development of ripples. The influence of the three dimensionless numbers on the ripple characteristics, such as wavelength or amplitude, is investigated. These preliminary results seems to be in a reasonable agreement with experimental and simulation data. In particular, the relative influence of and Rep is discussed.

Ce travail de thèse est consacré à l'étude des milieux granulaires humides. On étudie principalement le cas de faibles teneurs en eau. L'influence du phénomène de capillarité sur la rétention d'eau et sur le comportement mécanique du milieu est analysée. A chaque état d'équilibre, la distribution d'eau dans le milieu granulaire est obtenue en appliquant une succion homogène dans un volume élémentaire représentatif. La méthode multi-échelles utilisée se nourrit d'expérimentations/modélisation à l'échelle des interactions entre les grains, et produit des simulations en éléments discrets du comportement macroscopique qui sont comparées aux résultats d'expérimentation. A l'échelle des interactions capillaires, une étude expérimentale du pont liquide pilotée en succion permet la validation d'un modèle basé sur l'approximation toroïdale du profil du pont liquide. A l'échelle macroscopique, les courbes de rétention d'eau simulées sont proches des courbes de rétention d'eau expérimentales réalisées sur des milieux modèles composés de billes de verre. Enfin, le comportement mécanique macroscopique est simulé. On note une fragilisation du matériau en fonction de la succion dans le domaines des faibles teneurs en eau qui s'explique par une diminution de la densité des ponts liquides. La prise en compte d'une rugosité des grains permet une meilleure description de la transition entre un état humide et un état sec. L'analyse des contraintes montre la pertinence du tenseur des contraintes associé aux interactions attractives dans l'étude de l'évolution de la contrainte à la rupture (compression simple) et de la compressibilité (compression oedométrique) en fonction de la succion. / This work deals with study of humid granular media. Weak water percent media are mainly studied. The influence of capillarity on water retention and mechanical behaviour is analyzed. At each state of equilibrium, water distribution is obtained by applying a homogeneous suction in the entire elementary representative volume. The multi-scale approach used, is based on experimental/modelling at the local scale (interaction between grains) and produce discrete elements simulation of the macroscopic behaviour which are compared to experimental results. At the scale of the interactions, an experimental study of the liquid bridge piloted by suction validates a model based on the toroidal approximation of the liquid bridge shape. At the macroscopic scale, simulated water retention curves are near of experimental water retention curves made on a model sample composed of glass beads. Then, the mechanical behaviour is simulated. We notice a loss of cohesi on in function of suction because of a reduction of the liquid bridge density. The introduction of a roughness allows a best representation of the transition between the non saturation state and the dry state. The analysis of the stress reveal the pertinence of the stress tensor associated with attractives interactions in the evolution of rupture stress (simple compression) and compressibility (oedometric compression) in function of suction.

Le stockage de grains est une problématique qui date du développement de l’agriculture afin de répondre au besoin de conservation des céréales. Afin de faciliter la vidange de silos, l’entreprise Vibrafloor propose une solution de vidange automatisée basée sur l’agitation du contenu par vibration d’un plancher flexible. L’objectif de cette thèse est de développer un modèle numérique robuste qui puisse prédire le comportement du système vibrant sous charge, au cours d’un cycle de vidange. Ces travaux peuvent être décomposés en trois parties principales : - Le développement d’un modèle numérique fiable d’un module vibrant ; - Le développement d’un modèle numérique du milieu granulaire ; - La mise en interaction de ces deux modèles. Enfin, l’exploitation de ces modèles numériques a permis de proposer des règles d’utilisation du système à l’industriel et de proposer les prémisses d’un outil d’étude du procédé de vidange dans sa globalité. / The grain storage is an issue that dates agricultural development to address the need for cereal preservation. In order to facilitate the emptying silos process, Vibrafloor provides an automated emptying solution based on the agitation of the contents by vibration of a flexible floor. The objective of this thesis is to develop a reliable numerical model that can predict the behavior of the vibrating system under load during a drain cycle. These works can be divided into three main parts: - The development of a reliable digital model of a vibrating module - The development of a numerical model of the granular media - The interaction of these two models. Finally, the exploitation of these numerical models helped provide system usage rules for industrial and the beginnings of a study tool for the entire automatic drain process.

Le comportement des matériaux multiphasiques couvre une multitude de phénomènes qui suscitent un grand intérêt dans le domaine scientifique et professionnel. Les propriétés mécaniques de ces types de matériau trouvent leur origine dans les phases dont ils sont composés, leur distribution et interaction. Un nouveau modèle hydrodynamique couplé est présenté dans ce travail de thèse, à appliquer à l'analyse de l'hydrodynamique des milieux granulaires saturés. Le modèle associe la méthode des éléments discrets (DEM) pour la modélisation de la phase solide, avec une formulation en volumes finis, à l'échelle des pores (PFV), du problème de l'écoulement. Une importance particulière est donné à la description de l'interaction entre les phases, avec la détermination des forces fluides à appliquer sur chacune des particule, tout en assurant un coût de calcul abordable, qui permet la modélisation de plusieurs milliers des particules en trois dimensions. Le milieux est considéré saturé par un fluide incompressible. Les pores et leur connectivité est basée sur une triangulation régulière des assemblages. L'analogie de cette formulation avec la théorie classique de Biot est présenté. Le modèle est validé par la comparaison des résultats numériques obtenus pour un problème de consolidation d'un sol granulaire avec la solution analytique de Terzaghi. Une approche pour analyser l'hydrodynamique d'un sédiment granulaire est finalement présenté. La reproduction du phénomène de liquéfaction d'un sol est également présentée. / The behaviour of multiphase materials covers a wide range of phenomena of interest to both scientists and engineers. The mechanical properties of these materials originate from all component phases, their distribution and interaction. A new coupled hydromechanical model is presented in this work, to be applied to the analysis of the hydrodynamics of saturated granular media. The model associates the discrete element method (DEM) for the solid phase, and a pore-scale finite volume (PFV) formulation of the flow problem. The emphasis of this model is, on one hand, the microscopic description of the interaction between phases, with the determination of the forces applied on solid particles by the fluid; on the other hand, the model involve affordable computational costs, that allow the simulation of thousands of particles in three dimensional models. The medium is assumed to be saturated of an incompressible fluid. Pore bodies and their connections are defined locally through a regular triangulation of the packings. The analogy of the DEM-PFV model and the classic Biot's theory of poroelasticity is discussed. The model is validated through comparison of the numerical result of a soil consolidation problem with the Terzaghi's analytical solution. An approach to analyze the hydrodynamic of a granular sediment is finally presented. The reproduction of the phenomenon of soil liquefaction is analysed and discussed.

Cette thèse présente un travail expérimental dans le domaine de la mécanique des milieux granulaires.Ce travail introduit une nouveauté fondamentale: durant la déformation d’échantillonsde sable en compression triaxiale classique, leur micro-structure est enregistrée par tomographieà rayons-x en environ 15 étapes de déformation différentes.Afin que tous les grains d’un échantillon soient individuellement visibles dans les imagesde tomographie, les échantillons sont considérablement réduits pour qu’ils mesurent 11 mm endiamètre et 22 mm en hauteur. Cela permet d’identifier et d’individualiser tous les plus decinquante mille grains d’un échantillon.Dans ce travail expérimental, une série d’essais triaxiaux a été réalisée sur trois sables naturels(le sable d’Hostun, le sable d’Ottawa et des Caicos ooids, tous à partir des états initiauxrelativement denses), à deux valeurs de pression de confinement différents (100 et 300 kPa).Dans les images 3D résultantes de la reconstruction des acquisitions tomographiques réaliséesau cours de chaque essai, les grains sont identifiés dans chaque état en utilisant un algorithmede type watershed (ligne de partage des eaux) classique. À partir de ces données discrétisées,des techniques ont été mises au point pour caractériser les contacts grain-à-grain mais aussipour mesurer la cinématique de tous les grains identifiés entre les états pour lesquels des imagestridimensionnelles existent. La cinématique des grains est mesurée avec deux outils spécialementdéveloppés: “ID-Track” suit les grains et donne leurs déplacements; cette information est ensuitenécessaire pour une technique hybride de corrélation d’images discrète pour mesurer la rotationde chaque grain.Des mesures à l’échelle du grain sont présentées en détail pour un essai, et sont ensuitecomparées à des essais dans des conditions différentes. L’objectif est de mettre en évidence lesmicro-mécanismes responsables des différents comportements macroscopiques observés pour cesmatériaux. Cette comparaison met en évidence certains micro-mécanismes importants tels que,par exemple, la déformation d’un échantillon. Celle-ci est concentrée dans une bande de cisaillementbien développée qui correspond à une bande de grains avec des rotations intenses. Dans unéchantillon de grains arrondis, cette bande – définie par des grains – est très nette. Par contre,avec des grains anguleux, les rotations des grains dans la bande “polluent” les grains voisins;leur forme facilite l’engrenage entre grains, qui limite aussi les grosses rotations individuelles desgrains. Cette différence de mécanisme de déformation est utilisée pour expliquer la différencedans la contrainte résiduelle observée à macro-échelle. Des signes de déformation localisée sontsystématiquement observés en train de se produire avant le pic de déformation des échantillons etdes systèmes complexes de chaînes de rotations de grains (qui correspondent aussi à une mesurelocale de déformation calculée avec les déplacements des grains) sont remarquées autour du picde la réponse macroscopique de chaque échantillon. / This doctoral thesis presents an experimental investigation into the mechanics of granular media.The novelty that this work brings is that the specimens of sand tested in this work are systematicallyand non-destructively imaged using x-ray tomography. Sample size is considerably reducedfrom standard (specimens measure approximately 22 mm height by 11 mm diameter), allowingentire specimens to be scanned at a sufficiently high resolution to identify all the grains (morethan fifty thousand) in each specimen.A campaign of triaxial compression tests has been run on a series of three different naturalsands with different grain shapes (Hostun sand, Ottawa sand and Caicos ooids – all prepared atrelatively dense initial states), and tested at 100 or 300 kPa cell pressure. In each test around 15x-ray scans are performed. In the 3D images resulting from the reconstruction of the x-ray scansperformed, grains are identified each state using a standard watershed algorithm. Starting fromthese discretised data, techniques are developed in order characterise grain-to-grain contacts,as well as to measure the kinematics of all the identified grains between imaged states. Grainkinematics are measured with two specifically-developed tools: “ID-Track” to track grains yieldingtheir displacements, and a discrete image correlation technique to measure grain rotations.Grain-scale measurements are reported in detail for one test, and are then compared to testsin different conditions, in order to highlight the micro-mechanisms responsible for the observedmacroscopic behaviour. This comparison highlights some important micro-scale mechanisms suchas the increasing rotational frustration of more angular grains when the sample’s deformation isconcentrated in a fully developed shear band; this is used to explain to some extent the highervalue of their residual stress for these materials. Signs of localised deformation are seen to occurwell before the peak in many samples, and complex patterns of rotating grains (which match alocal, grain-based measurement of strain) are noticed around the peak of each sample’s response.