Ziel der Arbeit war es, eine neue Methode zu entwickeln, mit der das zeitabhängige Verformungsverhalten von Hochtemperaturbauteilen unter thermomechanischer Beanspruchung (TMF) im Vorrissstadium besser vorhergesagt werden kann, ohne dass sich der Aufwand gegenüber anderen bekannten Konzepten erhöht.

Dans le présent travail, nous étudions l'impact sur un obstacle rigide d'un écoulement transitoire à surface libre de fluide viscoplastique. Cette étude est conduite numériquement à l'aide de la méthode SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics), en y intégrant le modèle rhéologique de Herschel-Bulkley. Le code employé est adapté à nos besoins et validé sur des cas test classiques. Les caractéristiques locales de l'écoulement à proximité de l'obstacle sont analysées et deux régimes d'impact sont mis en évidence en fonction de la pente d'écoulement. L'étude des pressions exercées sur l'obstacle, conduite spatialement et temporellement en fonction de ces régimes d'impact, nous permet de mettre en évidence les rôles respectifs des composantes gravitationnelle et cinétique de la pression. Nos résultats sont comparés systématiquement à des résultats expérimentaux issus de travaux précédents et sont cohérents avec ces derniers. Une étude comparative de nos écoulements de fluide viscoplastique avec des écoulements de matériau granulaires de propriétés similaires nous conduit à mettre en évidence des caractéristiques communes entre les deux matériaux. / In this work, we study the impact of a transient free-surface flow of viscoplastic fluid on a rigid obstacle. This study is conducted numerically using the SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) method, and the Herschel-Bulkley rheological model. The SPH code is adapted to our needs and validated on classic benchmarks. The local characteristics of the flow near the obstacle are analysed and two impact regimes are highlighted depending on the slope angle. By studying of the pressure exerted on the obstacle, both spatially and temporally, with regards to these impact regimes, we evidence the respective roles of the gravitational and kinetic components of the pressure. Our results are systematically compared with experimental data from a previous work and are shown to be consistent. A comparative study conducted on both our viscoplastic flows and flows of granular material of similar properties highlights common characteristics of the two materials.

Les écoulements rampants, recirculants et instationnaires d'un fluide viscoplastique autour d'un cylindre ont été étudiés.Numériquement, les morphologies des écoulements, la localisation des zones rigides, les champs de contraintes et pression autour du cylindre ainsi que le coefficient de traînée, ont été déterminés sur un large domaine des nombres de Reynolds et d'Oldroyd.Expérimentalement, les fluides étudiés sont des gels de polymère Carbopol®. Le comportement élastoviscoplastique de ces gels a été modélisé par une loi d'Herschel-Bulkley adaptée. Le montage expérimental conçu et réalisé a été validé par l'étude de l'écoulement d'un fluide newtonien autour d'un cylindre et la mise en place d'une procédure adaptée pour les fluides à seuil.On a pu constater l'influence des conditions d'interface avec l'apparition d'une morphologie de lâchers de tourbillons simultanés et symétriques.

Dans le présent travail, nous étudions l'impact sur un obstacle rigide d'un écoulement transitoire à surface libre de fluide viscoplastique. Cette étude est conduite numériquement à l'aide de la méthode SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics), en y intégrant le modèle rhéologique de Herschel-Bulkley. Le code employé est adapté à nos besoins et validé sur des cas test classiques. Les caractéristiques locales de l'écoulement à proximité de l'obstacle sont analysées et deux régimes d'impact sont mis en évidence en fonction de la pente d'écoulement. L'étude des pressions exercées sur l'obstacle, conduite spatialement et temporellement en fonction de ces régimes d'impact, nous permet de mettre en évidence les rôles respectifs des composantes gravitationnelle et cinétique de la pression. Nos résultats sont comparés systématiquement à des résultats expérimentaux issus de travaux précédents et sont cohérents avec ces derniers. Une étude comparative de nos écoulements de fluide viscoplastique avec des écoulements de matériau granulaires de propriétés similaires nous conduit à mettre en évidence des caractéristiques communes entre les deux matériaux. / In this work, we study the impact of a transient free-surface flow of viscoplastic fluid on a rigid obstacle. This study is conducted numerically using the SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) method, and the Herschel-Bulkley rheological model. The SPH code is adapted to our needs and validated on classic benchmarks. The local characteristics of the flow near the obstacle are analysed and two impact regimes are highlighted depending on the slope angle. By studying of the pressure exerted on the obstacle, both spatially and temporally, with regards to these impact regimes, we evidence the respective roles of the gravitational and kinetic components of the pressure. Our results are systematically compared with experimental data from a previous work and are shown to be consistent. A comparative study conducted on both our viscoplastic flows and flows of granular material of similar properties highlights common characteristics of the two materials.

Le modèle de couche mince intégré sur l'épaisseur, Saint-Venant, utilisé classiquement pour simuler la propagation de laves torrentielles et coulées boueuses, repose sur plusieurs approximations concernant la forme des profils de vitesse en zones non-uniformes. Il est pourtant nécessaire d'utiliser ce type de modélisation, comme outil d'aide à la gestion des risques liés aux laves torrentielles. Nous proposons d'éprouver ses hypothèses, en observant une zone fortement non-uniforme, le front de coulées à surface libre et le champ de vitesse à l'intérieur de cette zone.En améliorant notre connaissance de l'évolution de la forme des profils de vitesse (de la dynamique interne) au front de coulées, nous cherchons à améliorer les modèles de couche mince. Cette thèse porte donc sur l'étude de la dynamique interne au front d'écoulements à surface libre de fluides newtoniens et viscoplastiques.Nous avons utilisé le dispositif du canal à fond mobile qui permet de générer des coulées stationnaires dans le référentiel de l'observateur au moyen d'un fond mobile remontant vers l'amont. Nous avons réalisé un travail technique sur ce canal et sur l'analyse des images pour pouvoir mesurer les champs de vitesse à haute résolution spatiale aux fronts de coulées à surface libre de fluides viscoplastiques. L'étude des fluides newtoniens a aussi été réalisée afin de valider les modèles et éprouver le dispositif expérimental.Nous avons comparé les résultats expérimentaux aux solutions théoriques de deux modèles de couche mince adaptés à la rhéologie de Herschel-Bulkley : le modèle classique de la lubrification, à la base du modèle de Saint-Venant et un modèle consistant à l'ordre 1 développé dans cette thèse. Le modèle consistant d'ordre 1 est la somme du modèle à l'ordre 0 (la lubrification) et de termes correctifs qui proviennent des contraintes normales et des termes d'inertie. Dans le cadre de notre configuration du fond mobile remontant vers l'amont, il est possible de déduire la forme du front en cherchant une solution de type onde progressive, sans passer par un modèle intégré dans l'épaisseur.Pour les fluides viscoplastiques, la structure classique du profil de vitesse, avec une zone cisaillée surmontée d'un plug non cisaillé est bien reconnaissable sur nos profils de vitesse en zone uniforme, et en zone faiblement variée. Mais à l'approche du front, cependant, la vitesse de surface augmente, les profils de vitesse expérimentaux deviennent cisaillés sur toute l'épaisseur, conduisant à la disparition du plug à proximité de la ligne de front.Le modèle de lubrification prédit l’existence d'un plug dans le front jusqu'à la ligne de contact, ce qui n'est pas observé expérimentalement. La vitesse de surface du modèle de lubrification augmente à l'approche du front, mais est largement sous-estimée par rapport à la vitesse de surface mesurée. Les vitesses de surface prédites par le modèle d'ordre 1 augmentent plus drastiquement au front, en meilleur accord avec les mesures que le modèle de lubrification. Pour certaines configurations expérimentales l'accord est même très bon. Remarquablement, le cisaillement des profils de vitesse à l'approche du front, observé expérimentalement, est aussi prédit par le modèle d'ordre 1.Les profils de vitesse présentent donc une évolution au front de coulées viscoplastiques en contradiction avec les hypothèses du modèle de Saint-Venant. Le modèle consistant d'ordre 1 permet d'améliorer les prédictions. Un modèle intégré dans l'épaisseur de type Saint-Venant basé sur les développements consistants d'ordre 1 est alors calculé, car il constitue l'étape nécessaire avant d'être intégré dans un outil de simulation opérationnel. / A depth-averaged model based on the thin-layer assumption, called Saint-Venant (Shallow-Water), is classically used to simulate the propagation and the spreading of debris and mud flows. It is based on several approximations concerning the shape of the velocity profile in non-uniform zones. We propose to test these hypotheses, examining a strongly non-uniform zone, the front of free-surface viscoplastic flows and the velocity field within this zone. By improving our knowledge about the internal dynamics in the front zone, we seek to improve the thin-layer models. This thesis therefore focuses on the study of the internal dynamics within the front of viscoplatic free-surface flows.We used the moving conveyor belt to generate stationary flows. We carried out a technical work on this set-up, and specific analysis of images obtained from the high-speed camera, in order to be able to measure velocity fields with a high resolution. The study of a Newtonian fluid was also carried out in order to validate the lubrication model and the experimental device.We compared experimental results to theoretical solutions of two thin-layer models taking into account the Herschel-Bulkley rheology: the classical model of lubrication, which is at the base of Saint-Venant model, and a consistent first-order model specifically developed in this thesis.The first-order model is equal to the zero-order model (lubrication), plus corrective terms derived from the normal stresses and inertia terms.In this study, for the purpose of comparison with our experimental results, we are interested in travelling-wave solutions. We are able to solve the shape of the front without using a depth-averaged model.Far from the front, experimental velocity profiles clearly display the characteristic 2-layer structure predicted by the lubrication solution, with constant values close to the free-surface (plug) and a sheared layer underneath. Closer to surge tip, the shape of experimental longitudinal velocity profilesthen begins to differ from the theoretical prediction. The 2-layer structure tends to disappear, and the profiles display shear across the whole depth ofthe flow. In this tip region, surface velocity also appears to increase faster than its theoretical counterpart. Surface velocity predicted by the first-order model increase more drastically in the tip region, in better agreement with the measurements than the lubrication model. The first-order model predicts a sheared velocity profile when approaching the front, as observed experimentally.The consistent first-order model then provides better predictions about internal dynamics than lubrication model. A depth-integrated model like Saint-Venant, based on consistent first-order developments is then calculated, as a first step before being integrated into an operational simulation tool.

A maioria dos líquidos encontrados na natureza são não-Newtonianos e o estudo do seu comportamento tem uma importância significante em diferentes áreas da engenharia. Entre eles, uma larga classe de materiais que exibem pequena ou nenhuma deformação quando sujeitos a um nível de tensões inferiores a uma tensão limite de escoamento – chamado de comportamento viscoplástico. A presente Dissertação tem como objetivo o estudo numérico de escoamentos bidimensionais em regime permanente de fluidos viscoplásticos não-lineares em uma cavidade forçada. O modelo mecânico é definido pelas equações de conservação de massa e de balanço de momentum acopladas ao modelo viscoplástico recentemente introduzido por Souza Mendes e Dutra – SMD – e é aproximado por um método de elementos finitos multi-campos estabilizado baseado na metodologia de Galerkin mínimos-quadrados que possui como variáveis primais os campos de tensão-extra, velocidade e pressão. As condições de compatibilidade entre os subespaços de elementos finitos para tensão-extra-velocidade e velocidade-pressão são violadas, permitindo assim a utilização de interpolações de igual ordem. O método estabilizado foi implementado no código de elementos finitos para fluidos não-Newtonianos em desenvolvimento no Laboratório de Mecânica dos Fluidos Aplicada e Computacional (LAMAC) da UFRGS. Em diversos trabalhos encontrados na literatura, a superfície de escoamento do material é definida como a região onde o módulo da tensão-extra é igual à tensão limite de escoamento. É mostrado nesta Dissertação que esta metodologia pode conduzir à alguns erros, dado ao grande aumento experimentado pela taxa de cisalhamento em uma pequena faixa de tensões próximas à tensão limite de escoamento. Assim, foi adotada outra metodologia, definindo a superfície de escoamento como a linha onde a taxa de cisalhamento é igual a um valor dado pela relação de parâmetros reológicos do fluido, especificamente a tensão limite de escoamento e a viscosidade Newtoniana para baixas taxas de cisalhamento. Nas simulações numéricas realizadas, o número de salto, J, o coeficiente de power-law, n, e a vazão adimensional, U*, são variados de forma a avaliar de que modo influenciam na dinâmica de escoamentos viscoplásticos. Os resultados obtidos estão de acordo com a literatura e atestam a estabilidade da formulação empregada. / Non-Newtonian fluids are the majority of liquids found on the nature and the study of their behavior has a significant importance on different areas of engineering. Among them, there is a wide class of materials that exhibits little or no deformation when subjected to a stress level behind an apparent yield stress – called the viscoplastic behavior. The present thesis aimed to a numerical study of two dimensional steady state laminar flows of non-linear viscoplastic fluids in a lid-driven cavity. The mechanical model was defined by the mass conservation and momentum balance equations coupled to the recently introduced Souza Mendes and Dutra – SMD – viscoplastic model and has been approximated by a stabilized multi-field finite element method based on the Galerkin least-squares methodology, having as primal variables the extra-stress, velocity and pressure fields. In this way, the compatibility conditions between the extra-stressvelocity and pressure-velocity (Babuška-Brezzi condition) finite element subspaces are violated, allowing to use equal-order finite element interpolations. The stabilized method has been implemented in the finite element code for non-Newtonian fluids under development at the Laboratory of Applied and Computational Fluid Mechanics (LAMAC) of UFRGS. In several works found on the literature, the yield surface of the material is defined as the region where the stress modulus is equal to the yield stress. Is shown in this work that this methodology can lead to some errors, due to the large strain rate increasing in a small range of values of stress on the vicinity of the yield stress. Therefore, it was adopted another approach, defining the yield surface as the line where the strain rate is equal to a value given by the relation of the rheological parameters of the fluid, namely the yield stress and the viscosity at low shear rates. In the performed numerical simulations, the jump number, J, the the power-law coefficient, n,and the non-dimensional flow rate, U*, are ranged in order to evaluate how they the influence on the viscoplastic fluid dynamics have been investigated. All results found were in accordance with the affine literature and attests the good stability features of the formulation.

Esta dissertação investiga numericamente a influência dos efeitos viscosos e elásticos em escoamentos de materiais viscoplásticos no interior de uma cavidade dirigida. O modelo mecânico empregado é constituído pelas equações de conservação de massa e pelo princípio da quantidade de movimento linear, para fluidos incompressíveis, acoplado à equação constitutiva. Esta equação modifica o modelo viscoelástico de Oldroyd-B de modo a acomodar que os tempos de relaxação e retardo do material, bem como sua viscosidade viscoplástica, dependam das mudanças de sua microestrutura. A aproximação numérica do modelo emprega o método multi-campos de Galerkin mínimos-quadrados em termos do tensor de tensão extra, do vetor velocidade e do campo de pressão. Os resultados objetivam a determinção do tamanho e localização das regiões aparentemente não-escoadas do material, bem como sua deformação elástica, intensidade de tensão, e a sua vorticidade no interior da cavidade. Os resultados claramente indicam que o padrão do escoamento é fortemente influenciado pela variação dos efeitos elásticos (variação do tempo de relaxação adimensional, θ0 * ), viscosos (variação do índice de power-law, n) e cinemáticos (variação da velocidade adimensional, U* , do escoamento) no interior da cavidade. / This dissertation investigated numerically the influence of viscous and elastic effects on flows of viscoplastic materials within a lid-driven cavity. The mechanical model used is made up of mass and momentum balance equations, coupled with the constitutive equation. This equation modifies the viscoelastic Oldroyd-B model to accommodate both relaxation and retardation times, and viscosity function, dependent on the microstructure changes. Numerical approximations of the model make use a three-field Galerkin least squares method in terms of the extra stress tensor, velocity vector and pressure field. Computations focus on the determination of the size and position of apparently unyielded regions as well as the elastic deformation, stress intensity, and the vorticity within of the cavity. Results clearly indicate that the flow pattern is strongly influenced by the elastic (variation of the dimensionless relaxation time, θ0 * ), viscous (variation of the power-law index, n) and kinematic (variation of the dimensionless flow velocity, U* ) effects within the cavity.

Au cours des conflits récents, les véhicules ont été sujet à des attaques impliquant une grande quantité d'explosif enterré. En général, les planchers sont visés, et leurs déformations absorbent une partie de l'énergie. Le véhicule subit également une impulsion, transmise par la détonation, qui peut blesser gravement les occupants. L'intensité de l'impulsion dépend principalement de trois paramètres: le degré de saturation du sol, la nature du sol dans lequel l'explosif est enterré, et la profondeur d'enfouissement de la charge. Les simulations numériques doivent reproduire le processus intégral de l'explosion, incluant l'initiale interaction entre la charge et le sol, l'expansion des produits de détonation, la propagation de l'onde de choc jusqu'au plancher du véhicule, et la grande déformation des projections de sol. L'information mécanique transmise jusqu'au niveau du plancher doit être suffisamment précise car les effets sur le véhicule constituent l'objectif des simulations. Développer un modèle constitutif de sol est par conséquent délicat.%délicat. un défi. tâche difficile. Le modèle de sol est visco-plastique avec un cap écrouissable, une surface de rupture pour limiter les contraintes de cisaillement et un cut off contre les contraintes excessives de tension. La surface de charge est entièrement lisse afin que les incréments de déformation plastique soient continus. Un mécanisme de rigidification est présenté pour tenir compte de la compression de l'air et des très grandes contraintes dans l'environnement immédiat de la charge. Le taux d'humidité du sol est également pris en compte. Deux séries d'essais ont été réalisés à DGA TT pour servir de référence pour les simulations numériques. Une première campagne a mis en jeu de petites quantités d'explosif à plusieurs profondeurs d'enfouissement. Les pressions aériennes ont été mesurées à plusieurs hauteurs et comparées aux simulations. Un moyen d'essai a été utilisé lors de la seconde campagne d'essais pour mesurer à la fois la déformation d'une plaque représentant un plancher de véhicule, mais aussi l'impulsion transmise par l'explosion enfouie. Un certain nombre de taux d'humidité, profondeurs d'enfouissement, épaisseurs de plaques et gardes au sol a été étudié. Au cours des essais, le sol STANAG, composé de sable et de graviers, défini dans l'AEP 55 relatif au STANAG 4569, a été utilisé. Des simulations Eulériennes ont été réalisées et sont en accord avec les résultats d'essais. Le rôle des trois parties de la surface de charge, des mécanismes de rigidification élastique et d'écrouissage plastique a été évalué. La masse volumique initiale du sol et la position initiale du cap sont les paramètres ayant la plus grande influence sur les pressions aériennes. Quant à l'impulsion, elle est principalement contrôlée par le degré de saturation du sol. / In recent conflicts, vehicles have been facing underbelly attacks involving a large quantity of buried explosive. A part of the energy is absorbed by the deformation of the belly. Still the vehicle is subjected to the impulse transmitted by the detonation which may severely injure occupants. The intensity of the impulse is highly dependent on three main parameters which are the degree of saturation of the soil, the nature of the soil in which the explosive is buried and the depth of burial of the charge. Computer simulations should follow the complete process of the explosion, including the early interaction of the charge with the soil, the expansion of the detonation products, the propagation of the shock wave up to the vehicle floor, and the large deformation of the soil projections. The mechanical information transmitted up to the floor level should be sufficiently accurate because the impact on the vehicle is the key target of the simulations. Developing a constitutive soil model is therefore a challenging task. The soil model is visco-plastic with a hardening cap surface, a failure surface to limit shear stresses and a cut off surface against excessive tension. The entire yield surface is smooth so that the plastic strain increments are continuous. A stiffening mechanism is introduced to account for air compression and accommodate the huge stresses in the immediate neighborhood of the charge. The water content of the soil is also taken into account. Two sets of experiments were carried out at DGA TT to serve as a reference for computer simulations. A first campaign involved small quantity of explosive at several depths of burial. The aerial pressures were measured at various heights and compared to simulations. The second set of experiments used a test rig to measure both the deformation of a floor simulating plate and the impulse transmitted by the buried explosion. A range of soil water contents, depths of burial of the explosive, plate thicknesses and stand off distances has been explored. For all the experiments, the sandy gravel STANAG soil defined in AEP 55 of STANAG 4569 has been used. Eulerian simulations were run and fit with these experiments. The roles of the three parts of the yield surface, of the elastic stiffening and plastic hardening mechanisms could be assessed. The initial soil density and the initial cap position were found to have the largest influence on aerial pressures. As for the impulse transmitted to the metallic plate, it was observed to be mostly controlled by the degree of saturation of the soil.

Cette thèse est une étude expérimentale de la formation et de la maturation d’un anneau tourbillonnaire. Elle porte sur les écoulements faiblement inertiels (Reynolds : 5 à 500) en fluide newtonien puis non newtonien. Les anneaux sont générés par un système cylindre-piston. Ils sont analysés par visualisation et par vélocimétrie par images de particules (PIV). La dynamique en fluide newtonien à faible nombre de Reynolds se révèle plus complexe que celle à grands Reynolds avec l’apparition d’un anneau secondaire contrarotatif. Les résultats obtenus en fluide rhéofluidifiant montrent l’influence de l’indice de comportement ainsi que les zones de comportement rhéofluidifiant et newtonien. Les explorations en fluides viscoplastique et viscoélastique montrent la formation d’un ou plusieurs anneaux secondaires contrarotatifs, qui diffèrent dans leur formation et leur dynamique des anneaux observés en fluide newtonien et que l’on associe aux propriétés physiques intrinsèques du fluide. / The present work is an experimental study of the generation and the maturation of vortex rings, in order to characterize their structure and their global dynamics for small to moderate Reynolds numbers (between 5 and 500) in Newtonian and non-Newtonian fluids. The experimental set-up consists of a vertical cylindrical piston-tube system with the lower part immersed in a filled tank. Measurement campaigns have been carried out using dye visualization and Particle Image Velocimetry (PIV). A first part of the work is focussed on Newtonian fluid and allows the dynamics at low Reynolds numbers to be investigated qualitatively and quantitatively. This dynamics turns out to be more complex than the one classically observed at high Reynolds numbers, and is characterized by the production of a counter-rotating secondary vortex ring. The results obtained for shear thinning fluids show the influence of the power-law index on the development and the propagation of the ring. The computation of the shear rate field allows the results to be analyzed in terms of shear thinning and Newtonian regions. Finally a preliminary investigation for viscoplastic and viscoelastic fluids has been performed. In both cases, it is shown that one (for viscoplastic fluids) or several (for viscoelastic fluids) counter-rotating secondary vortex rings are generated, a phenomenon that can be associated with the intrinsic physical properties of the fluid. All these results provide several perspectives of study in the field of vortex rings dynamics in the weakly inertial regimes.

Escoamentos sem inércia de fluido elasto-viscoplástico, dentro de uma cavidade, são numericamente analisados. As soluções visam compreender a influência dos efeitos viscosos e elásticos na topologia de superfícies de escoamento. Assumindo-se que o colapso da microestrutura do material é instantâneo, o modelo mecânico é constituído pelas equações governantes de massa e momentum para fluidos incompressíveis, associado a uma equação hiperbólica para o tensor tensão extra, baseado na equação do modelo Oldroyd-B (Nassar et al, 2011). A principal característica do modelo é considerar a viscosidade e o tempo de relaxação como função da taxa de deformação, permitindo a pseudoplasticidade de viscosidade e restringindo os efeitos elásticos para as regiões não deformadas do material. As simulações numéricas são realizadas através do método de Galerkin mínimos quadrados a três campos: tensor tensão extra, pressão e velocidade. Os resultados mostram que as superfícies de escoamento do material são fortemente influenciadas pela ação combinada entre os efeitos elásticos e viscosos, estando em conformidade com a recente visualização experimental dos fluxos elasto-viscoplásticos. / Elasto viscoplastic uid ows without inertia, within a cavity, are numerically analyzed. The solutions aim to understand the in uence of viscous and elastic e ects on the topology of yield surfaces. Assuming that the collapse of the material microstructure is instantaneous, the mechanical model consists of the governing equations of mass and momentum for incompressible uids, associated with a hyperbolic equation for the extra stress tensor, based on the equation of the Oldroyd-B model (Nassar et al, 2011). The main feature of model is to consider the viscosity and the relaxation time as a function of shear rate, allowing the shear-thinning of viscosity and restricting elastic e ects for regions not deformed material. Numerical simulations are performed by the method of Galerkin Least Squares to three elds: extra stress tensor, pressure and velocity. The results show that the yield surfaces of material are strongly in uenced by the combined action between the elastic and viscous e ects, complying with the recent experimental visualization of elasto-viscoplastic ows.