Thèse doctorat : Génie Civil : Villeurbanne, INSA : 2005. / Titre provenant de l'écran-titre. Thèse rédigée en 2 vol. Le vol. 1 contient la thèse, le vol. 2 contient les annexes. Bibliogr. p. 309-317.

Thèse doctorat : Génie Civil : Villeurbanne, INSA : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 217-223.

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Le broyage est une opération couramment réalisée dans de nombreux secteurs industriels. Malgré son apparente simplicité, le broyage met en jeu des phénomènes de fragmentation complexes dépendant à la fois des propriétés de la matière, des sollicitations mécaniques dans le broyeur, et de la dynamique des poudres au sein de celui-ci. Aujourd'hui l'évolution des technologies de broyage repose essentiellement sur un savoir-faire empirique et de nombreux efforts sont encore à déployer pour améliorer leur efficacité énergétique. Cette optimisation ne pourra être réalisé qu'en s'appuyant sur une connaissance fine des phénomènes mis en jeux à plusieurs échelles (échelle sub-particulaire, échelle de la particule, du lit de poudre et du procédé). L'objectif de ces travaux de thèse est de mettre en évidence les paramètres clés influençant les mécanismes de comminution et l'efficacité énergétique du broyage. Un modèle numérique de rupture de particules présentant des défauts sous forme de clivage a été mis en œuvre. Il a permis notamment d'analyser l'influence de la distribution spatiale des fissures sur la statistique des seuils de rupture en lien avec les chemins de fissures et la taille des fragments. A l'échelle du procédé, une étude expérimentale, réalisée au sein d'un broyeur de laboratoire, a permis de proposer un modèle énergétique s'inspirant de celui de Rittinger mais tenant compte des phénomènes d'agglomération. Ce modèle a ensuite été généralisé à différentes technologies de broyage à media broyant pour comparer leur efficacité énergétique lors du broyage de matières minérales, végétale ainsi qu'en condition de cobroyage. / Although grinding is a widespread operation in industrial processes, it remains poorly understood. The difficulty to model grinding not only lies in the complexity of the fragmentation, which depends on material properties and loading dynamics, but also on the stress transmission from the grinder to the particles. The development of grinding technologies has led to an empirical know-how, and much more effort is still needed to understand the the mechanisms of the comminution of particles. This objective can be achieved only by increasing knowledge on the phenomena involved at different scales (sub-particle heterogeneities, particle, powder bed and boundary conditions of the process).In this PhD work, we investigate the key parameters influencing comminution mechanisms and the energetic efficiency of grinding. A numerical model of particle breakage including a subparticle distribution of cleavages was developed. This model allowed us to analyze the cracks patterns, fragment sizes and probability distribution of failure. At the scale of the process, an extensive experimental study of comminution was carried out using a laboratory mill. An energy evolution inspired by Rittinger model but taking into account the agglomeration phenomena was proposed. This model was then extended to other grinding technologies to compare the energy efficiency for grinding minerals, vegetal particles and their comilling.

Thèse de doctorat : Sciences. Matériaux : Ecole centrale de Lyon : 2003. / 133 réf.

Thèse de doctorat : Sciences. Matériaux : Ecole centrale de Lyon : 2003. / Titre provenant de l'écran-titre. 133 réf.

Cette thèse porte sur la cristallisation bidimensionnelle de particules dipolaires. La première partie concerne les systèmes à un composant. L’idée d’utiliser des matériaux granulaires secs comme substituts de suspensions colloïdales mouillées y est exploitée pour aborder le phénomène de cristallisation. Des systèmes granulaires athermaux bidimensionnels sont alors exposés à un bruit mécanique extérieur conduisant à un mouvement de type brownien des grains. En utilisant des interactions interparticulaires répulsives via un champ magnétique externe imposé, on montre que la microstructure observée dans les suspensions colloïdales peut être retrouvée quantitativement à l’échelle macroscopique. A cette fin, des expériences sur des granulaires (réalisées au laboratoire GRASP à Liège) et sur des systèmes colloïdaux constitués de particules magnétiques ainsi que des simulations numériques sont effectuées et comparées. Un excellent accord pour toute la gamme de couplage dipolaire est obtenu pour les fonctions de distribution de paires ainsi que pour les fonctions de corrélation orientationnelles. Cette découverte ouvre de nouvelles possibilités pour explorer efficacement et aisément les transitions de phase, la cristallisation, la nucléation, etc. dans des géométries confinées. Le second volet de cette thèse concerne les systèmes à deux composants. Des mélanges binaires constitués de particules pourvues de moments dipolaires similaires sont examinés. En utilisant des simulations Monte Carlo, une analyse structurale détaillée basée sur les fonctions de distribution de paires partielles et les clichés de microstructures est présentée pour un couplage dipolaire fort. Pour une composition équimolaire, la coexistence entre des super-réseaux triangulaires avec une stoechiométrie AB2 et A2B est mise en évidence, où A(B) dénote les grands (faibles) moments dipolaires. Ce résultat est en très bonne adéquation avec les prédictions théoriques à température nulle / This thesis deals with two-dimensional crystallization of dipolar particles. The first part of the manuscript treats one component systems. There, the idea of using excited dry granular media as substitutes of wet colloidal suspensions is exploited to tackle the problem of crystallization. Athermal two-dimensional granular systems are exposed to external mechanical noise leading to Brownian-like motion. Using tunable repulsive interparticle interaction via an external imposed magnetic field, it is shown that the same microstructure as that observed in colloidal suspensions can be quantitatively recovered at a macroscopic scale. To that end, experiments on granular (realized by the GRASP group in Liège) and colloidal systems made up of magnetized particles as well as computer simulations are performed and compared. Excellent agreement throughout the range of the dipolar coupling is found for the pair distribution as well as the bond-orientational correlation functions. This finding opens new ways to efficiently and very conveniently explore phase transitions, crystallization, nucleation, etc in confined geometries. The second part of this thesis addresses two component systems. Binary mixtures made up of particles carrying similar dipole moments are investigated. Using Monte Carlo simulations, a detailed structural analysis based on partial pair distribution functions and microstructure snapshots is presented for high dipolar coupling. At equimolar composition, the relevance of the coexistence of triangular superlattices with stoichiometry AB2 and A2B is revealed, with A(B) standing for the large(small) dipole moments. This finding is in excellent qualitative agreement with the zero temperature theoretical predictions

This doctoral research aims to deepen knowledge on the impact of electrostatic forces on powder rheology. The initial focus of this thesis was to answer the following question:"Does the presence of electrostatic charges on a pharmaceutical powder carrier have an influence on the spatial lubricant distribution over the carrier particles and thus on the granular rheology?". After the development of an electrification setup and many experiments, the answer to this question turns out to be negative. However, this question led us to discover several phenomena, such as deformation mechanisms of powder columns during shear tests with the FT4 rheometer; and the formation of self-assemblies after the imposition of electrostatic charges on pharmaceutical excipients. These phenomena are explored in this thesis. Therefore, we demonstrate the inability of a FT4 rheometer to conduct shear tests when pharmaceutical formulations are lubricated with magnesium stearate. Indeed,"monolithic cake" behaviour appears. Two numerical models (method of characteristics and analysis of Janssen) are used to assess the stress state and explain this particular case. In addition, a characterization of the shape and particle size distribution of the electrostatic self-assemblies is presented in this thesis. Finally, the previous parts of this thesis showed the importance of wall friction effects during shear tests. Thus, a final part of this thesis focuses on the mechanism of wall lubrication.This latest effort brings us back to the study of the influence of electrostatic forces on powder rheology. Indeed, a high variability with the wall friction results is obtained with unlubricated powders at a relative humidity of 20%. The presence of magnesium stearate and/or higher humidity conditions reduces this variability. However, some tests indicate that electrostatic phenomena are part of the explanation.

Cette thèse traite de la simulation numérique de systèmes composés de nombreuxobjets distincts, et dont le principal mécanisme d'interaction consiste en des contacts inélastiques avec frottement solide.On trouve de nombreuses occurrences de tels systèmes dans la nature,par exemple sous la forme de sable ou d'une chevelure humaine ;aussi la reproduction numérique de leur dynamique trouve des applications diverses, allant de considérations géotechniques à la production d'effets spéciaux réalistes pour le cinéma.Une difficulté majeure pour la simulation de tels systèmes concerne la non-régularité de leur dynamique ; à une échelle de temps macroscopique, on observe par exemple des sauts dans les vitesses des constituants lors d'impacts.La première partie de ce manuscrit est ainsi dédiée à la conception d'algorithmes efficaces permettant de prendre en compte les contacts avec frottement de Coulomblors de la simulation de systèmes mécaniques discrets. La méthode que nous proposons, basée sur un algorithme de type Gauss--Seidel avec stratégie hybride, s'avèrerobuste et perfomante sur le problème délicat de la simulation virtuelle de chevelures.La second partie de ce manuscrit est consacrée à l'étude de systèmes à une échelle beaucoup plus grande, au delà du million de grains. Puisque le calcul de toutes les forces de contacts pour chaque paire de grains s'avérerait trop coûteux, on adopte un point de vue macroscopique en utilisant le formalisme des milieux continus. On propose ainsi d'adapter les méthodes développées pour la simulation de systèmes discrets à la résolution de la rhéologie dite de Drucker--Prager, une relation entre la contrainte et le cisaillement du matériau exprimant l'influence moyennée des forces de frottement.On montre que cette approche nous permet de retrouver le comportement qualitatif de matériaux granulaires secs observé expérimentalement.Finalement, nous proposons un nouveau modèle numérique pour l'étudedes dynamiques couplées d'un matériau granulaire immergé dans un fluide Newtonien,et montrons une nouvelle fois que les algorithmes développés pour la mécanique discrètes'avèrent également pertinents dans le cas continu. / This dissertation focuses on the numerical simulation of mechanical systems consisting of a large number of discrete pieces interacting with each other through contacts and dry friction. Examples of such systems --- for instance, sand or human hair --- are common in natural environments; being able to predict their dynamics is therefore of great importance for diverse applications ranging from geotechnical considerations to engaging visual effects for feature films.A major difficulty that complicates the numerical simulation of such complex systems stems from the nonsmoothness of their dynamics. For instance, from a macroscopic viewpoint, the velocity of the individual constituents may exhibit instantaneous jumps when impacts occur.The first part of this manuscript will be dedicated to the establishment of efficient algorithms for the numerical simulation of discrete mechanical systems subject to contacts and Coulomb friction. We advocate using a Gauss--Seidel algorithm with a hybrid local solver, and show that this strategy performs robustly in the challenging context of virtual hair simulation.The second part of this dissertation will focus on much bigger systems, consisting of millions or billions of grains.As computing every force between pairs of contacting grains quickly becomes intractable, we embrace a continuum viewpoint instead. We show how the numerical methods devised for the simulation of discrete mechanical systems can be adapted to thesimulation of flows governed by the Drucker--Prager rheology --- a constitutive relationship between the material's stress and strain rate that macroscopically models the action of frictional contact forces. This approach allows us to capture qualitative features of granular flows that have been observed experimentally. Finally, we propose a new numerical model for the coupled simulation of a granular continuum with a surrounding fluid, and show that once again, we are able to leverage efficient algorithms from discrete contact mechanics to solve the resulting equations.

Dans les études expérimentales de la micromécanique des matériaux granulaires, la mesure des forces de contact entre particules est de nos jours toujours un challenge en comparaison avec les outils et techniques bien mieux établis pour la caractérisation cinématique à l'échelle des particules. Cette thèse de doctorat s'attaque à cet ambitieux problème. L'approche proposée implique deux aspects : (i) la caractérisation expérimentale du réseau de contact et de la cinématique à l'échelle des particules, qui peut être réalisée avec des techniques d'imagerie standards ; (ii) une approche numérique capable d'exploiter ces mesures afin de déduire les forces de contact.L'une des contraintes qu'on s'était imposée était de ne s'appuyer que sur la connaissance de la géométrie des particules ainsi que du réseau de contacts pour réaliser la déduction des forces de contact. Trois techniques numériques différentes ont été proposées à cet effet : une méthode basée sur l'élasticité des contacts (CEM), une méthode basée sur la dynamique de contact (CDM) et une méthode basée sur l'équilibre élasto-plastique de l'assemblage granulaire (QSM). Chacune de ces techniques repose sur une approche de la famille des méthodes en éléments discrets ; il s'agit respectivement de le DEM de type Cundall, la dynamique des contacts non régulière, et une approche de calcul statique élastoplastique. La non-unicité de la solution est le principal problème avec les techniques choisies, et elles sont étroitement liées à l’indétermination des forces dans le système.Les trois méthodes sont d'abord présentées et validées en les appliquant à l'estimation des forces dans les systèmes granulaires 2D générés au moyen de simulations DEM explicites. Nous prenons ces simulations comme des expériences "idéales" dans le sens où elles fournissent des données similaires à celles extraites des expériences, mais dépourvues d'erreurs de mesure. Un avantage évident de cette stratégie est d’obtenir des ensembles de forces faisant office de référence faisant foi. Sur cette base, les principaux aspects affectant la détermination des forces peuvent être étudiés. En particulier, le rôle crucial de l'histoire du chargement est mis en évidence et certaines solutions pour les prendre en compte dans la détermination des forces ont été prospectées. Une évaluation de l'influence de l'erreur de mesure a également été réalisée pour prédire l'applicabilité de chaque méthode à des expériences réelles. Une brève analyse de la variabilité des solutions est également fournie.Finalement, des tentatives ont été faites pour déduire des forces issues d’expériences effectuées dans le dispositif 1gamma2epsilon. La cinématique des particules et la connectivité ont été évaluées au moyen de la technique de corrélation d'image numérique. Les avantages et inconvénients des trois méthodes ont été éclaircis. Ils nous conduisent à envisager une utilisation combinée des trois méthodes pour tirer parti de leurs atouts respectifs. À l'avenir, il conviendra de réfléchir à la prise en compte de la stabilité de la solution -- dans l'algorithme de convergence vers une solution -- avec l'espoir de limiter la variabilité des solutions. / In the experimental study of the micro-mechanics of granular materials, measuring inter-particle contact forces is still a challenging task, if compared to the well-established tools and techniques for the kinematic characterisation at particle scale. This doctoral thesis addresses this problem. The proposed approach consists of two parts: an experimental characterisation of the granular network geometry and of particle-scale kinematics, which can be carried out with common imaging techniques such as Digital Image Correlation; a numerical approach aiming to exploit these measurements for the estimation of forces.One imposed constraint was to only make use of the rigid motions of particles, together with the knowledge of the contact network, to infer contact forces. Three different numerical techniques have been proposed to this purpose, referred to as Contact Elasticity Method (CEM), Contact Dynamics-based Method (CDM) and Quasi-Static Method (QSM). Each of these techniques is based on the formulation of common approaches in the family of Discrete Element Methods, respectively the classical Cundall-like DEM, the Non Smooth Contact Dynamics and a quasi-static approach accounting for both contact elasticity and plasticity. It is shown that memory of the history of the packing is the main concern with all the chosen techniques.The three methods are first presented and validated by applying them to the estimation of forces in 2D granular systems generated by means of explicit-time DEM simulations. We refer to these simulations as "ideal" experiments since they are meant to provide the same information that can be extracted from experiments, but without any measurement error. An obvious benefit of this strategy is to get reference force sets that are taken as ground truth. Based on this, the main aspects that affect the determination of forces can be investigated. In particular, the crucial role of history is emphasised here, and some solutions to take it into account in the force inference have been investigated.An assessment of the influence of measurement error has also been carried out, to predict the applicability of each method to real experiments. A short analysis of the variability of the solutions is also provided.Finally, some attempts have been made to infer forces from experiments carried out in the 1gamma2epsilon device. Particle kinematics and connectivity have been assessed by means of the Digital Image Correlation technique.The benefits and drawbacks of the three methods have been demonstrated. They conduct us to envision a combined usage of the three methods. In the future, studying the stability of equilibrium might help reducing the variability of the solutions.