Modélisation de l'écoulement de fibres interagissant avec des grains

Modeling the flow of fibers interacting with grains

• Auteur / Autrice : Francisco Luna guevara
• Direction : Jean-Yves Delenne, Xavier Frank
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique, Génie Civil et Architecture
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2024
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IATE - Ingénierie des Agropolymères et Technologies Emergentes
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Physique et mécanique des milieux divisés d'origines végétales - PhyProDiv

Mots clés

Mots clés libres

Milieux Granulaires

Analyse physique

Simulation

Granular materials

Simulation

Physical analysis

Résumé

Les mélanges de fibres et de grains sont utilisées dans la formulation de nombreux matériaux. Les constructions en terre crue incluent souvent une fraction importante de fibres ou de paille. Dans l'industrie des matériaux composites ou pharmaceutique, les fibres de nanocellulose sont utilisées comme additifs aux poudres. En génie civil, des fibres synthétiques, ou géotextiles, sont utilisées pour stabiliser des talus et des berges. Enfin, lors du recyclage de matériaux comprenant des fibres (fibres de bois, de verre ou de carbone), une étape de broyage est généralement réalisée avant de séparer les fibres et les constituants granulaires. Dans ces différents exemples, les fibres contribuent fortement à la résistance mécanique des matériaux, notamment via leurs propriétés intrinsèques (longueur, rigidité, point de rupture), leur comportement collectif par effet d'enchevêtrement ou la formation d'agrégats cohésifs. Dans cette thèse, des simulations numériques basées sur la méthode des éléments discrets (DEM) permettront de modéliser les mélanges de fibres et de grains. L'assemblage compact des grains et des fibres ainsi que leur rhéologie seront étudiés ainsi que les effets de la proportion de fibres et de grains, de la rigidité des fibres, de la friction, de la pression de confinement et du taux de cisaillement. Les propriétés structurelles et dynamiques des systèmes simulés seront calculées afin de mieux comprendre les mécanismes collectifs de ségrégation et d'enchevêtrement entre fibres déformables. Les résultats de simulation compléteront et seront confrontés aux données expérimentales obtenues dans le cadre d'un partenariat avec des groupes, en région parisienne, travaillant sur les aspects expérimentaux.

Mixtures of fibers and grains are present in many materials. Raw earth constructions often include a significant proportion of fibers or straw. In the materials and pharmaceutical industries, nanocellulose fibers are used as additives to powders. In civil engineering, synthetic fibers, or geotextiles, are used to stabilize embankments and banks. Lastly, when recycling materials that include fibers (wood, glass or carbon fibers), a grinding step is generally performed before separating the fibers and granular constituents. In these different examples, fibers make a major contribution to the mechanical strength of materials, notably via their intrinsic properties (length, stiffness, breaking point), their collective behavior through entanglement effects or the formation of cohesive aggregates. In this thesis, numerical simulations using discrete element methods (DEM) will be used to investigate mixtures of fibers and grains. The packing and rheology of these systems will be studied, and the effects of the proportion of fibers and grains, fiber stiffness, friction, confining pressure and shear rate will be investigated. The structural and dynamical properties of the simulated systems will be computed in order to understand the collective mechanisms of segregation and entanglement between deformable fibers. The simulation results will complement and be compared with experimental data obtained in the context of a partnership with experimental groups in the Paris area.