Approche numérique par éléments dicrets 3D de la sollicitation d'un écoulement granulaire sur un obstacle

3D discrete elements numerical approach of the loading exerted by a granular flow against an obstacle

• Auteur / Autrice : Lionel Favier
• Direction : Dominique Daudon, Jacky Mazars
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Grenoble 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Traînée (aérodynamique)

Résumé

L'analyse de la pression exercée par un écoulement granulaire sur un obstacle nécessite la connaissance du coefficient de traînée. Néanmoins, les études bibliographiques expérimentales ne fournissent pas les données internes de l'écoulement intervenant dans son calcul. C'est pourquoi, nous proposons la détermination du coefficient de traînée par l'application d'outils numériques tridimensionnels, basés sur la méthode des éléments discrets (MED), et validés par des études expérimentales. L'expérience est un canal d'écoulement de laboratoire, intégralement modélisé par la MED. Les lois locales de contact intègrent un comportement normal élastique, hystérétique associé à un critère de glissement tangentiel. La validation du modèle intégral repose sur la similarité entre les résultats expérimentaux et numériques des paramètres physiques de l'écoulement et de l'effort d'impact sur l'obstacle. Cette validation est obtenue sans calibration importante des paramètres numériques. Le modèle intégral est ensuite optimisé, en termes de temps de calcul et de possibilités d'études, sous la forme d'un canon granulaire, dans lequel n'est simulée que la zone d'interaction entre l'écoulement et l'obstacle. Les propriétés de l'écoulement : vitesse, épaisseur, densité, sont contrôlées car intégrées en tant que paramètres initiaux numériques. L'influence de caractéristiques associées à l'écoulement, comme le nombre de Froude, à la taille des grains, ou à la forme et la taille de l'obstacle, sur le coefficient de traînée, est alors analysée. Enfin, une extension micromécanique est proposée dans l'analyse de l'influence d'une adhésion et d'une cohésion intégrées aux lois locales de contact.

The analysis of impact pressure by granular flows on obstacles requires an investigation of the drag coefficient. However, in the bibliography, experimental studies cannot reach inner flow properties, in spite of their consideration in its computation. Therefore, in this thesis we propose to determine this coefficient through three dimensional numerical tools, carried out with the discrete element method (DEM), and validated through experimental studies. The experiments consist in a laboratory canal, fully modelled by the DEM. The local contact law includes a normal elastic, hysteretic behaviour with a tangential sliding criterion. The full model validation is deduced from the similarity between experimental and numerical results of the flow's physical parameters and of the impact loading against the obstacle. This validation is obtained without any important calibration of the numerical parameters. Then, the full model is optimized, in terms of time computation and number of studies possibilities, as a granular launcher, in which is only considered the flow-obstacle interaction zone. The flow properties: velocity, thickness, density, are controlled because taken as initial numerical parameters. The effect of flow characteristics, like the Froude number, grains' mean size, or the shape and size of the obstacle, on the drag coefficient, is then analyzed. Finally, further micromechanical investigations are performed to study the effect of an adhesion and cohesion added in the local behaviour.