Modélisation numérique et rhéologie des milieux granulaires à particules fragmentables en vue d’application aux broyeurs à boulets

Numerical modeling and rheology of crushable granular flows : application to ball mills

• Auteur / Autrice : Luisa Orozco
• Direction : Farhang Radjaï, Jean-Yves Delenne, Philippe Sornay
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et génie civil
• Date : Soutenance le 18/11/2019
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Bonnefoy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Farhang Radjaï, Jean-Yves Delenne, Philippe Sornay, Olivier Bonnefoy, Mojtaba Ghadiri, Vincent Richefeu, Bernardo Caicedo, Duc-Hahn Nguyen
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Mojtaba Ghadiri, Vincent Richefeu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Broyeurs

Fragmentation

Milieux granulaires

Mots clés libres

Fragmentation

Matériaux granulaires

Broyage

Broyeurs à boulets

Mise à l’èchelle

Dynamique des contacts

Granular materials

Breakage

Rotating drum

Ball mills

Scale-Up

Dem

Résumé

Une étape cruciale de la fabrication des combustibles nucléaires est le co-broyage des oxydes d’uranium et de plutonium pour obtenir une taille ciblée et un mélange homogène de particules. Cependant, le changement de l’échelle du laboratoire à celle de la production reste essentiellement empirique. Le but de cette thèse de doctorat est de modéliser et caractériser les écoulements granulaires dans des tambours rotatifs et d’élucider les mécanismes de broyage de l’échelle des particules à celle du procédé. A l’aide de simulations granulaires, et d’un critère de décohésion dynamique basé sur la mécanique de la rupture, on étudie la fragmentation de partic- ules sous impact. La dissociation de ces particules se fait au niveau d’une tessellation en cellules sous-jacentes fragmentables. Les analyses développées portent notamment sur : les propriétés d’écoulements granulaires dans le régime de cascade en fonction des paramètres du système; l’effet de la taille et du nombre de corps broyants sur le processus de broyage; l’évolution de la frag- mentation dans les écoulements en tambour rotatif. Nos simulations révèlent plusieurs relations bien définies entre différentes variables caractérisant l’écoulement (profil de surface, épaisseur d’écoulement, fluctuations de force, glissement aux parois), l’évolution de la taille des particules et les paramètres du système (vitesse de rotation, taille du tambour, taux de remplissage). Ces travaux conduisent à la définition d’un paramètre sans dimension qui peut être utilisé pour la mise à l’échelle des écoulements dans les tambours tournants et les broyeurs à boulets.

A crucial step of nuclear fuel manufacture is the co-milling of uranium and plutonium oxides to obtain a targeted particle size and excellent mixing. However, the scale-up from the laboratory to plant production is still mainly empirical. The goal of this doctoral thesis is to model and characterize granular flows in rotating drums and to elucidate the mechanisms of particle grinding across scales. By means of particle dynamics simulations and a particle breaking model involving the tessellation of breakable particles into cells and a dynamic debonding criterion based on fracture mechanics, we investigate single- particle impacts, the properties of granular flows in the cascading regime in a rotating drum as a function of system parameters, the effect of the size and amount of grinding media on the grinding process, and the evolution of particle breakage in granular flows of breakable particles. Our simulations reveal several well- defined relationships between flow variables such as surface profile, flowing thickness, force fluctuations and wall slip, as well as with system parameters such as rotation speed, drum size and filling degree, and with particle fracture during flow. We identify a dimensionless parameter that can be used for the scale-up of rotating drums.