Dissertations / Theses on the topic 'Milieux granulaires immergés'

En condition accidentelle,le combustible nucléaire d’un réacteur peut entrer en contact avec le fluide caloporteur.Les conséquences de l’interaction qui en résulte sont étudiées par l’IRSN. La violence de l’interaction dépend notamment fortement de la cinétique de cette mise en contact. L’observation expérimentale directe du phénomène étant inenvisageable. Ce travail de thèse a consisté en l’étude de cette dynamique. Nous avons étudié le débit de vidange d’un milieu granulaire monodisperse en fonction de plusieurs paramètres prépondérants (géométrie du réservoir,taille,forme et position de l’orifice,débit gazeux,taille des grains). Ces études ont été réalisées sur un banc expérimental dédié et ont mis en évidence plusieurs lois d’échelle pour le régime stationnaire. En support à l’interprétation de ces expériences, différentes hypothèses de modélisation de l’écoulement (population discrète de particules, rhéologie d’un milieu continu) ont été confrontées aux résultats expérimentaux à l’aide de simulations numériques. Ainsi la loi de dépendance classique du débit de vidange d’un silo avec un orifice en bas a été étendue aux silos avec un orifice latéral notamment en clarifiant les contributions relatives aux dimensions verticale et horizontale. Par ailleurs, il a été établi qu’un écoulement de gaz augmente significativement le débit de vidange du granulaire. Ceci peut être modélisé en prenant en compte le gradient de pression imposé par le gaz sur les grains dans la zone de l’orifice en plus de la gravité. Les éléments fondateurs de la modélisation d’une vidange de grains et de gaz au sein d’un réservoir avec un orifice latéral ont pu ainsi être mis en place<br>In the hypothetical conditions of a reactivity initiated accident in a nuclear power plant, some of the cylindrical rods, that contain the fuel, could break. If fuel fragmentation occurs, hot fuel particles and pressurized gas could be ejected out of the rod and then interact with the surrounding fluid. The consequences of this interaction are studied by IRSN . The violence of this interaction depends particularly on the discharge rate of the fuel particles. The aim of this thesis, was to study this dynamics. We simulated the fuel particles and gas ejection dynamics by the flow of a dense granular material and a gas from a confined space toward an open space. We focused on the experimental study of the stationary discharge of a silo composed of monodisperse spherical glass beads, with an orifice either lateral or at the bottom of the silo, with or without air flow. The measured parameters were the mass flow rate and the pressure along the silo, whereas the controlled parameters were the size of particles, the size of orifices, and the flow rate of air. To understand the underlying physical mechanism, discrete and continuous numerical simulations were also performed and compared to the experimental results. For the case of a lateral orifice, when the form of the orifice is rectangular, we identified two regimes that depend on the ratio of width to height. For the case with air flow, we found that the flow rate increases significantly with the air flow. We used a simple physical model to describe the grains and gas ejection taking into account the pressure gradient imposed by the fluid on the particles around the orifice

Lorsqu'une onde acoustique se propage dans un milieu granulaire, elle est susceptible de provoquer la mobilité des grains, aussi infime soit-elle. Inversement, la mobilité d'un grain dans une matrice fluide peut induire un champ acoustique et dans les deux cas, l'énergie acoustique peut être transférée à la fois au travers des pores et des contacts entre grains. Nous avons mis au point un modèle original permettant de considérer ces deux modes de transfert d'énergie pour simuler la propagation d'ondes acoustiques dans les milieux granulaires immergés. Dans le cas des milieux granulaires secs, l'inertie du fluide est telle que l'énergie transférée dans l'air peut être négligée et le milieu modélisé avec des algorithmes de type "dynamique moléculaire". Au contraire, dans le cas de milieux immergés, l'énergie portée par le fluide ne peut pas être négligée et nous montrons que la méthode des domaines fictifs basée sur les multiplicateurs de Lagrange distribués permet de coupler les équations de la dynamique et l'équation d'onde. Nous utilisons la méthode des éléments finis pour propager l'onde dans le fluide, les grains étant modélisés en 2D par des sphères rigides et incompressibles afin de satisfaire les hypothèses de l'algorithme de dynamique moléculaire. Les résultats du modèle sur des expériences numériques simples mais pour lesquelles existent des solutions analytiques de l'acoustique mettent en évidence la validité du nouveau modèle. Nous en donnons une illustration pour l'étude des interactions subies par un empilement réaliste de multiples grains mobiles soumis à un signal acoustique.

Cette thèse consiste en l'étude expérimentale de la dynamique d'une interface granulaire inclinée et cisaillée par un écoulement d'eau laminaire, continu. Dans le canal de géométrie contrôlée, deux modes de transport sédimentaires sont observables : par érosion hydrodynamique et par écoulement gravitaire en masse. <br />Une première étude est consacrée aux seuils de mise en mouvement des particules. Deux modèles simples prenant en compte la gravité, la friction entre particules et le cisaillement du fluide, permettent de retrouver l'influence de la vitesse de l'écoulement d'eau et de la pente du lit sur les seuils de transport par érosion et par avalanche.<br />Le régime d'écoulements gravitaires est ensuite exploré pour des pentes au-delà de l'angle maximal de stabilité. Les mesures d'évolution de la pente du tas et du débit de particules (par PIV) montrent que l'avalanche atteint rapidement un régime quasi-stationnaire. La vitesse des grains dépend uniquement de la pente du tas, dans une relation quantitativement prédite par un modèle adapté des développements récents de modélisation de la rhéologie des granulaires. <br />Dans une troisième partie on s'intéresse à la déformation de l'interface granulaire dans un régime particulier. La formation de rides à tourbillon est observée à la surface de l'avalanche, lorsqu'on applique un écoulement d'eau qui tend à transporter les particules dans la direction opposée. Après une phase initiale de croissance exponentielle, l'amplitude des rides sature. La zone de recirculation à l'arrière de la ride semble contrôler la forme des structures tandis que la quantité de matière transportable par l'avalanche semble déterminer leur amplitude.

Dans cette thèse, on étudie le transport granulaire par charriage en régime établi d’un lit de grains soumis à un écoulement de Couette laminaire pour un rapport de densité fluide-grain de 2.5 et une gamme de nombre de Reynolds particulaire, Re p [0.1, 10], et de nombre de Shields, [0.1,0.7]. Toutes les échelles de cet écoulement diphasique (à l’exception des effets de lubrification) sont décrites via la résolution numérique des équations de Navier-Stokes en prenant en compte la présence des particules par une méthode de frontières immergées (IBM) couplée à un solveur granulaire (méthode des éléments discrets - DEM) qui résout les équations de Newton pour chaque particule ainsi que les contacts et frottements entre grains (résolution à l’échelle microscopique). Un changement d’échelle est ensuite effectué afin d’obtenir une description de l’écoulement via des champs continus équivalents (description à l’échelle mésoscopique). Les simulations IBM-DEM permettent de quantifier chacun des termes du modèle dit mésoscopique et de caractériser la rhéologie de chaque phase ainsi que du mélange. On effectue finalement un second changement d’échelle afin de réduire l’écoulement de grains observé à une singularité, qui correspond à une condition limite du point de vue de l’écoulement du fluide. Cette condition est du type de Navier. Les simulations IBM-DEM montrent que la longueur dite de glissement "équivalente" est directement proportionnelle au nombre de Shields<br>In this work, we consider the steady transport of a granular medium by a laminar Couette flow for a fixed density ratio of 2.5 and a range of particle Reynolds number, Re p [0.1, 10], and Shields number [0.1, 0.7]. All scales of this two-phase flow are captured (except for the lubrication effects). By solving the Navier-Stokes equations, taking into account the presence of particles using an Immersed Boundary Method (IBM) coupled to a granular solver (Discrete Elements Method - DEM) which solves the Newton equations for each particle, in particular grain-grain interactions (resolution at the microscopic scale). Up-scaling is then performed to describe the flow via equivalent continuous quantities (description at the mesoscopic scale). IBM-DEM simulations allow to quantify all the terms of the so-called mesoscopic model and to characterize the rheology of each phase and that of the equivalent mixture. A second up-scaling is finally performed to reduce the granular flow to a singularity, which corresponds to a boundary condition from the fluid view point. The boundary condition is of Navier’s type. The IBM-DEM simulations suggest that the corresponding "equivalent" slip-lenght scales as

Nous considérons un scénario hypothétique d’accident initié par une insertion de réactivité nucléaire entrainant la rupture de la gaine d’un crayon combustible. La violence du contact avec le fluide caloporteur dépendrait fortement du débit de fragment combustible, initialement confiné avec un gaz pressurisé, sortant du crayon. Ce travail de thèse a consisté à étudier cette dynamique en la modélisant par la vidange d’un milieu granulaire hors d’un silo pressurisé. Nous nous sommes d’abord concentrés sur le rôle de la géométrie interne du silo grâce à un fond incliné. Pour un faible angle d’inclinaison, l’orientation de l’écoulement granulaire (donc le débit) est contrôlée par la friction pariétale, tandis qu’une grande inclinaison détermine cette orientation. Nous nous sommes ensuite intéressés au rôle du gaz pressurisé d’abord en imposant une surpression d’air constante puis en considérant un cas transitoire dans lequel une surpression initiale provoque la rupture de l’orifice. Dans les deux configurations, le débit granulaire est mis à l’échelle par une loi de Beverloo modifiée où le gradient de pression du gaz près de l’orifice agit comme une force motrice supplémentaire qui peut être décrite par la loi de Forchheimer. Nous proposons un modèle quasi-stationnaire pour le débit granulaire ainsi qu’une simulation continue basée sur un modèle multiphasique qui reproduisent bien les résultats expérimentaux. A forts débits, nous observons une instabilité du jet, initiée par des oscillations de pression à l’orifice. Enfin nous avons montré que le milieu environnant agit sur la condition de pression à la sortie du silo<br>We consider a hypothetical scenario of reactivity initiated accident in a nuclear power plant. The violence of the so-called fuel-coolant interaction phenomena depends strongly on the flow rate of particles out of the gas pressurized rod. The aim of this thesis was to study how this discharge rate is driven by the internal geometry and the pressurized gas. We focused firstly on the discharge of a rectangular silo with an inclined bottom. For a small inclination angle, the granular flow orientation is controlled by the wall friction, whereas a large inclination angle fully determines this orientation. Secondly, we focused on two configurations with pressurized gas : a case with constant gas overpressure at the top of the silo and a more transient case for which an initial larger overpressure initiates the rupture of an orifice. The granular flow rate increases significantly with the gas flow, especially for the finer particles and the large overpressures. In both cases, the flow rate scales with a modified Beverloo law where the gas pressure gradient near the outlet acts as an additional driving force. The pressure gradient is well described by a Forchheimer resistance law through the granular medium. We therefore propose a quasi-steady model for the transient description of the granular flow rate. The two configurations were successfully reproduced by numerical simulations based on a continuum multiphase model. For the larger flow rates, instabilities of the granular jet were found to be initiated by pressure oscillations in the outlet region. The presence of water surrounding the silo only acts through an additional hydrostatic pressure effect

Nous étudions le drainage des mousses de suspension granulaire. Nos paramètres de contrôle sont : la fraction en gaz, la taille des bulles, celle des particules et la fraction volumique de celles-ci dans la phase interstitielle. En premier lieu, nous mesurons la proportion de liquide et de particules retenus dans le réseau de la mousse en fonction des paramètres cités précédemment. Ces mesures réalisées une fois le drainage terminé apportent des éléments de compréhension indispensables à la description des vitesses de drainage. Nous montrons également que certaines combinaisons de nos paramètres d'étude conduisent au blocage du système gaz, liquide, solide. Dans un second temps, nous avons identifié différents régimes de cinétique de drainage, nous montrons qu'ils sont contrôlés par deux paramètres : (i) le rapport lambda de la taille des particules et de la taille des constrictions du réseau, (ii) la fraction en particules dans la phase interstitielle phi. Le point clé pour comprendre ces régimes est le piégeage des particules dans la mousse qui peut avoir deux origines : (i) par piégeage collectif (jamming) qui peut survenir pour des fractions étonnamment basses à cause de la géométrie du réseau interstitiel, (ii) la capture individuelle des particules par la mousse lorsque leur taille devient supérieure à celle des constrictions du réseau interstitiel. Des particules encore plus grosses sont exclues du réseau et participent à une remontée de la vitesse de drainage, faisant apparaître un minimum pour le régime correspondant à la capture individuelle. La fraction granulaire de la phase interstitielle est aussi essentielle, le drainage pouvant être stoppé pour des fractions suffisamment élevées lorsque lambda est judicieusement choisi. Ce travail propose des pistes prometteuses pour la stabilité des matériaux triphasiques<br>We study the drainage of granular suspensions foams. Our control parameters are the gas fraction, the bubble size, the particles size and the interstitial particle fraction. First, we measure the proportion of liquid and particles retained in the foam network as function of the above mentioned parameters. These measurements are performed when the drainage is over, they are essential for the description of drainage velocity. We show that certain combinations of our study parameters lead to the jamming of the three-phase system : gas, liquid, solid. Secondly, we highlight different regimes of drainage velocity, we show that is controlled by two parameters : (i) lambda, the ratio of the particle size and constriction size, (ii) the fraction of particles in the interstitial network : phi. The key to understand these regimes is the trapping of particles in the foam : (i) the jamming, which may occur for surprisingly low fractions due to the geometry of the pore network, (ii) the particles captured by the foam network when they become larger than the constrictions network. Finally, larger particles excluded from the network increase the drainage velocity, as a consequence the minimum for the velocity corresponds to the individual capture. The granular fraction of the suspension in the foam network is the other key parameter. Especially, the drainage can be stopped for sufficiently high fractions for certain values of lambda. This work offers promising outlook for the stability of three-phase materials

Ces travaux concernent la modélisation des milieux granulaires denses et leurs interactions avec des phénomènes acoustiques à l’échelle du laboratoire.Les modèles modélisant le mouvement des grains qui ont été développés se classent dans la catégorie des méthodes aux éléments discrets de type non régulières, souvent référencée sous la dénomination de “dynamique des contacts”. Lorsque l’on considère des forces de frottement entre particules dans ces modèles, on obtient des problèmes d’optimisation sous contraintes qui ont la particularité d’être non-convexes. On propose ici deux approches convexes de la modélisation des forces de frottement en dynamique des contacts.Les liens entre écoulements granulaires et propagations d’ondes élastiques sont encore mal connus. En particulier, le signal acoustique émis par ces écoulements ainsi que la propagation des ondes au sein du milieu même sont des sujets de recherches actuels. On propose deux études autour de ces thématiques. Un modèle de propagation d’ondes est notamment construit, dont les variables sont les perturbations infinitésimales des positions des grains, autour de configurations supposées à l’équilibre<br>This work concerns the modeling of dense granular media and their interactions with acoustic phenomena at the laboratory scale.The models that are developed in order to describe the movement of grains can be range into the category of non-smooth discrete methods, often referred to as "contact dynamics". When we consider the friction forces between particles in these models, we obtain constrained optimization problems which are not convex in general. Two convex approaches to the modeling of friction forces in contact dynamics are proposed here.The links between granular flows and the elastic wave propagation are an important topic nowadays. In particular, the acoustic signal emitted by these flows as well as the wave propagation within the medium itself are current research topics. Two studies are proposed here that concerns the relations between granular assembly and generated elastic waves propagation. In particular, a wave propagation model is proposed, whith its variables defined as the infinitesimal perturbations of the grain positions around equilibrium configurations

Cette thèse traite de la modélisation et des méthodes numériques pour la simulation d'écoulements de fluides non-Newtoniens, et particulièrement, de matériaux granulaires. Une application de ce travail concerne les poudres de couverture utilisées pour protéger thermiquement le métal de l'air dans le procédé de coulée en source d'alliages métalliques. Ces poudres sont conditionnées dans des sacs disposés dans la lingotière, qui brûlent suite aux fortes chaleurs engendrées, et permettant son écoulement sur la surface du métal. Ainsi, la simulation numérique apparaît comme un puissant outil pour l'optimisation du procédé, et notamment, de l'étalement de ces poudres.Dans ce travail, une formulation éléments finis a été proposée pour modéliser l'écoulement multiphasique des matériaux granulaires dans un formalisme de la mécanique des milieux continus. Les équations associées sont résolues via des schémas numériques stabilisés, couplés avec la méthode Level-Set pour capturer et suivre le profil du matériau granulaire au cours de la simulation. Dans un premier temps, les outils numériques ont été testés sur des cas d'écoulements de fluides de Bingham, où les fortes non-linéarités sont traitées par une méthode de régularisation. Puis la formulation est étendue aux écoulements de granulaires secs, dont le comportement piezzo-dépendent est traduit par la loi mu(I). Le modèle a été validé sur des cas d'effondrement de colonnes de grains, et une étude de sensibilité aux conditions aux limites et constantes physiques du modèle est proposée.Enfin, des cas industriels de chutes de poudres sur substrats solide et métal fondu ont été menés, amenant à des premières pistes pour l'optimisation du procédé de coulée en lingotière<br>This thesis is devoted to the modeling and numerical methods for the simulation of non-Newtonian flows, and focuses particularly on granular materials flows. This work is applied to molten powders aiming to ensure metal thermal protection from the air in ingot casting process of metallic alloys. These powders are conditionned into bags disposed into the mold, which burn due to high temperatures, and allowing the powder spreading onto the metal surface. Thus, numerical simulation appears as a powerful tool for the process optimization, and especially, for the powder spreading.In this work, a finite element formulation has been proposed for the modeling of granular multiphase flows, by a continuum approach. The associated equations are solved using stabilized numerical schemes, coupled with the Level-Set method to capture and follow the granular profile during the simulation. First, the numerical tools have been implemented for Bingham flows, by using regularization a method. Then, the formulation was extended to dry granular flows, by the use of the mu(I) rheology constitutive model for describing its pressure-dependent behavior. The model has been validated on granular collapses, and a sensitivity analysis to boundary conditions and physical constants has been proposed.Finally, industrial cases of powder chutes ontoboth solid and liquid metla substrates have been conducted, leading to preliminary solutions for the optimization of ingot casting process

Le cadre général de cette thèse est d'obtenir une meilleure compréhension des écoulements géophysiques comme les glissements de terrains. Dans tous ces évènements, on sait que le couplage entre milieu granulaire et uide interstitiel joue un rôle important. Lors du démarrage, la présence d'eau inue sur la déformation des sols ; ainsi, des sols initialement diérents se comportent diéremment. Cette thèse présente une expérience et un modèle mettant en évidence les phénomènes physiques lors du déclenchement des avalanches immergées. Notamment, la dynamique de l'avalanche dépend fortement de la fraction volumique de l'empilement initial, le déclenchement étant fortement retardé lors d'une légère compaction initiale<br>Initiation of underwater granular avalanches : inuence of the inital volume fraction. The aim of this thesis is to obtain a better understanding of geophysical ows like landslides. In those events, the coupling between the granular material and the uid play an important role during the initiation. This thesis studies physical phenomenon during the initiation of underwater granular avalanches with an experiment and a model. The ow is shown to strongly depends on the initial volume fraction, its initiation being dramtically delayed by a slight

Les avalanches de débris, qui résultent du démantèlement des flancs des édifices volcaniques et montagneux, sont des écoulements granulaires rapides et dangereux dont le monteur est la gravité et qui présentent des distances de transport extrêmement importantes. La dynamique de leur mise en place et leurs mécanismes de transport permettant cette très grande mobilité sont des phénomènes qui demeurent encore mal compris. De nombreux modèles existent pour expliquer la grande mobilité des avalanches de débris et incluent des processus basés sur la lubrification ou la fluidification de la masse granulaire mais également sur le phénomène de désintégration dynamique des éléments. Cependant la grande majorité des modèles proposés souffre du manque d’observations de terrain et de quantification de l’évolution des matériaux au cours de leur transport au sein de la masse granulaire. Afin d’identifier les principaux mécanismes de transport des avalanches de débris, nous proposons dans ce travail une étude de terrain détaillée de dépôts d’avalanches de débris volcaniques qui résultent du démantèlement d’un volcan bouclier océanique, le Piton des Neiges (île de La Réunion, océan Indien). L’approche est couplée à un examen morphométrique (dimension fractale et circularité), exoscopique et granulométrique des particules présentes dans les dépôts. Elle est complétée par l’examen de la fabrique des dépôts basée sur l’anisotropie de la susceptibilité magnétique (ASM). Les données obtenues nous permettent de mettre en évidence une évolution de la dynamique de transport et de mise en place des dépôts d’avalanches de débris depuis les zones sources jusqu’aux domaines de dépôt distaux. On montre également que la désintégration dynamique et le gonflement dispersif qui l’accompagne opèrent tout au long du transport et à toutes les échelles au-dessus d’une limite inférieure de broyage à 500 μm. En dessous de cette limite, la réduction granulométrique résulte uniquement de processus d’attrition par friction entre les particules. La grande mobilité des avalanches de débris pourrait ainsi être expliquée par l’effet combiné de la libération d’énergie élastique par la désintégration dynamique des particules &gt; 500μm et par une réduction de la friction interne à la matrice liée aux interactions dispersives des particules fines (&lt; 500 μm). L’ensemble des données permettent également de préciser les directions de transport et l’ampleur des avalanches de débris liées aux déstabilisations du massif du Piton des Neiges<br>Debris avalanches, resulting from flank collapses that shape volcanic and mountainous edifices are rapidand dangerous gravity-driven granular flows that travel long run out distances. The dynamic and the transport mechanisms behind this high mobility remain poorly understood. The numerous models proposed to explain this high mobility include processes based on lubrication or fluidisation of the granular mass of the flow body, but also the dynamic disintegration of the transported particles. To date,all these proposed mechanisms lack observational support and quantification of the state of the particles of the granular mass during the transport. To identify the main transport mechanisms, we propose here detailed field studies of volcanic debris avalanches deposits resulting of flank-collapse events on an oceanic shield volcano, the Piton des Neiges (La Réunion Island, Indian Ocean). This study has been combined with morphometric (fractal dimension and circularity), exoscopic and grain-size analyses. Moreover, the fabric of the deposits has been investigated by with the characteristics of the anisotropy of the magnetic susceptibility (ASM). From these data we highlight a proximal to distal evolution of the debris avalanches transport and emplacement dynamics. We demonstrate that syn-transport dynamic disintegration continuously operates with the distance from the source down to a grinding limit of 500μm. Below this limit, the particle size reduction exclusively results from the attrition of the particles by frictional interactions. Thus, the exceptional mobility of debris avalanches may be explained by thecombined effect of elastic energy release during the dynamic disintegration of the larger clasts (&gt; 500μm) and frictional reduction within the matrix due to the dispersive interactions between the finer particles (&lt; 500 μm). All these data also allow to specify the transport direction and the approximate size of the debris avalanches related to the Piton des Neiges destabilisations