Étude expérimentale et simulation de l’influence des caractéristiques des particules sur le comportement à l’écoulement de poudres modèles

Experimental study and simulation of the influence of particle characteristics on the flow behaviour of model powders

• Auteur / Autrice : Lina Cayla Arianer
• Direction : Khashayar Saleh, Mikel Leturia
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés : Transformations intégrées de la matière renouvelable (EA-4297)
• Date : Soutenance le 22/10/2024
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Transformation Intégrée de la Matière Renouvelable / TIMR

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vélocimétrie par images de particules

Méthode des éléments discrets

Dynamique des fluides

Uranium

Combustibles nucléaires

Rhéologie

Rhéomètres

Granulométrie

Particules (matière)

Milieux granulaires

Poudres

Mots clés libres

Coulabilité

Fabrication de combustibles

Modélisation

DEM

PIV

UO2

Écoulement

Powders

Flowability

Flow properties

Granular materials

Fuel fabrication

Modelling

Discrete Element Method (DEM)

Particule Image Velocimetry (PIV)

Particles

Particle size determination

Rheometers

Rheology

Nuclear fuels

Uranium (UO2)

Résumé

La coulabilité des poudres et milieux granulaires est une problématique importante dans un contexte industriel de production de comprimés, en particulier lors de la fabrication du combustible nucléaire. En effet, le mauvais écoulement d’une poudre peut induire des problèmes de procédé, tels que le colmatage de conduites, des cadences réduites et la présence d’hétérogénéités dans le produit final. L’objectif de cette thèse est d’établir un lien entre les grandeurs physiques à l’échelle des particules (granulométrie, morphologie, masses volumiques, etc.) et le comportement macroscopique de poudres modèles. Une double approche a été proposée pour répondre à cet objectif : – Approche expérimentale : étude et modélisation du lien entre les caractéristiques physiques des particules et les propriétés d’écoulement de poudres et de mélanges de poudres modèles par traitement statistique, – Approche numérique : simulation par DEM du comportement de poudres dans un rhéomètre, et comparaison avec les champs de vitesse obtenus par Particule Image Velocimetry (PIV). Cette double approche a permis d’une part d’identifier les paramètres pertinents pour la description de l’écoulement, et d’autre part de les modéliser expérimentalement et numériquement. Des modèles empiriques et semi-empiriques ont permis de mettre en place plusieurs prédictions de l’indice d’écoulement à partir des caractéristiques granulométriques et morphologiques des particules. L’approche numérique a conduit à l’élaboration, pour la calibration du rhéomètre en test dynamique, des outils numériques et des méthodes de calibration et de confrontation aux données expérimentales. Elle a ainsi pu mettre en évidence un bon accord entre les données simulées et les résultats des expérimentations.

The flowability of granular materials is a significant issue in an industrial context of tablet production, particularly in the manufacturing of nuclear fuel. Poor powder flowability can lead to process problems, such as pipeline clogging, reduced production rates, and the presence of heterogeneities in the final product. The objective of this work is to establish a link between the physical properties at the particle scale (particle size distribution, morphology, densities, etc.) and the macroscopic behavior of model powders. A dual approach has been proposed to meet this objective: – Experimental approach: study and model the link between the physical characteristics of particles and the flow properties of powders and model powder mixtures through statistical analysis. – Numerical approach: simulate the behavior of powders in a rheometer using DEM (Discrete Element Method) and compare the results with velocity fields obtained by Particle Image Velocimetry (PIV). This dual approach made it possible, on the one hand, to identify the relevant parameters for the description of the flow, and on the other hand, to model them experimentally and numerically. Empirical and semi-empirical models allowed the development of several predictions for the flow index. The numerical approach enabled the implementation of numerical tools, calibration methods, and comparison with experimental data for the calibration of the rheometer in dynamic testing.