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33 results on '"Philippe Sornay"'

1. Rheology and scaling behavior of cascading granular flows in rotating drums

Author

Philippe Sornay, Luisa Fernanda Orozco, Farhang Radjai, Jean-Yves Delenne, Laboratoire des Combustibles Uranium (LCU), Service d'Analyses, d'Elaboration, d'Expérientations et d'Examens des combustibles (SA3E), Département d'Etudes des Combustibles (DEC), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Département d'Etudes des Combustibles (DEC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Physique et Mécanique des Milieux Divisés (PMMD), Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC), Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Ingénierie des Agro-polymères et Technologies Émergentes (UMR IATE), Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad)-Université de Montpellier (UM)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Institut Agro - Montpellier SupAgro, Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro), Institut de recherche sur les systèmes nucléaires pour la production d'énergie bas carbone (IRESNE), Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad)-Centre international d'études supérieures en sciences agronomiques (Montpellier SupAgro)-Université de Montpellier (UM)-Institut national d’études supérieures agronomiques de Montpellier (Montpellier SupAgro), and Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)

Subjects
upscaling, Materials science, Contact Dynamics Method, Flow (psychology), Drum, Granular material, 01 natural sciences, Contact force, Physics::Fluid Dynamics, symbols.namesake, 0103 physical sciences, rotating drum, [SDV.IDA]Life Sciences [q-bio]/Food engineering, Froude number, General Materials Science, [PHYS.COND]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat], 010306 general physics, Scaling, Granular materials, 010304 chemical physics, Mechanical Engineering, Rotational speed, Mechanics, Condensed Matter Physics, Condensed Matter::Soft Condensed Matter, Mechanics of Materials, Free surface, symbols, Discrete Element Method
Abstract

International audience; Mixing, agglomerating, and milling of granular materials within a rotating drum is often performed in the cascading flow regime; however, the scaling behavior of these industrial applications remains poorly understood. It involves both centrifugal forces and an inertial surface flow with a curved profile. By means of discrete element simulations, we investigate the rheology of cascading flows in rotating drums as a function of drum size, rotation speed, and filling degree. We find that the surface profile, described by the ratio between the steepest descent slope and an average slope, is strongly correlated with flow variables such as active layer thickness, contact force variability, and wall slip. We show that the flow variables cannot be scaled by Froude number alone but are instead nicely scaled by a dimensionless parameter that combines the Froude number with other system parameters. This scaling works even for small drums and low filling degrees where finite-size effects prevail and the slippage of particles at the drum wall considerably affects the cascading flow at the free surface. The observed correlation between this parameter and contact force fluctuations suggests that it may also be a relevant upscaling parameter for milling and agglomeration in rotating drums.

Published
2020

2. Scaling behavior of particle breakage in granular flows inside rotating drums

Author

Luisa Fernanda Orozco, Farhang Radjai, Jean-Yves Delenne, Philippe Sornay, Physique et Mécanique des Milieux Divisés (PMMD), Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC), Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire des Combustibles Uranium (LCU), Service d'Analyses, d'Elaboration, d'Expérientations et d'Examens des combustibles (SA3E), Département d'Etudes des Combustibles (DEC), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Département d'Etudes des Combustibles (DEC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Ingénierie des Agro-polymères et Technologies Émergentes (UMR IATE), Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad)-Université de Montpellier (UM)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Institut Agro - Montpellier SupAgro, Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro), Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad)-Centre international d'études supérieures en sciences agronomiques (Montpellier SupAgro)-Université de Montpellier (UM)-Institut national d’études supérieures agronomiques de Montpellier (Montpellier SupAgro), and Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)

Subjects
Materials science, Contact Dynamics Method, Drum, Granular material, 01 natural sciences, [SPI.MAT]Engineering Sciences [physics]/Materials, 010305 fluids & plasmas, [PHYS.MECA.MEMA]Physics [physics]/Mechanics [physics]/Mechanics of materials [physics.class-ph], Breakage, Upscaling, 0103 physical sciences, Rotating drum, particle breakage, [SPI.GPROC]Engineering Sciences [physics]/Chemical and Process Engineering, 010306 general physics, Scaling, Granular materials, Grinding, Mechanics, Discrete element method, Linear function, Condensed Matter::Soft Condensed Matter, Bonded-Cell method, [PHYS.COND.CM-MS]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci], Particle, Particle size, Discrete Element Method, [SPI.GCIV.MAT]Engineering Sciences [physics]/Civil Engineering/Matériaux composites et construction, [PHYS.COND.CM-SCM]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Soft Condensed Matter [cond-mat.soft]
Abstract

We perform systematic particle dynamics simulations of granular flows composed of breakable particles in a 2D rotating drum to investigate the evolution of the mean particle size and specific surface as a function of system parameters such as drum size, rotation speed, filling degree, and particle shape and size. The specific surface increases at a nearly constant rate up to a point where particle breakage begins to slow down. The rates of particle breakage for all values of system parameters are found to collapse on a master curve when the times are scaled by the characteristic time defined in the linear regime. We determine the characteristic time as a function of all system parameters, and we show that the rate of particle breakage can be expressed as a linear function of a general scaling parameter that incorporates all our system parameters. This scaling behavior provides a general framework for the upscaling of drum grinding process from laboratory to industrial scale.

Published
2020

3. Discrete-element simulations of comminution in rotating drums: Effects of grinding media

Author

Luisa Fernanda Orozco, Philippe Sornay, Duc Hanh Nguyen, Jean-Yves Delenne, Farhang Radjai, Physique et Mécanique des Milieux Divisés (PMMD), Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC), Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire des Combustibles Uranium (LCU), Service d'Analyses, d'Elaboration, d'Expérientations et d'Examens des combustibles (SA3E), Département d'Etudes des Combustibles (DEC), CEA-Direction de l'Energie Nucléaire (CEA-DEN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-CEA-Direction de l'Energie Nucléaire (CEA-DEN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Département d'Etudes des Combustibles (DEC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), National University of Civil Engineering, Ingénierie des Agro-polymères et Technologies Émergentes (UMR IATE), Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad)-Université Montpellier 2 - Sciences et Techniques (UM2)-Centre international d'études supérieures en sciences agronomiques (Montpellier SupAgro)-Université de Montpellier (UM)-Institut national d’études supérieures agronomiques de Montpellier (Montpellier SupAgro)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), National University of Civil Engineering (NUCE), Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad)-Centre international d'études supérieures en sciences agronomiques (Montpellier SupAgro)-Université de Montpellier (UM)-Institut national d’études supérieures agronomiques de Montpellier (Montpellier SupAgro), Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE), Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad)-Université de Montpellier (UM)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Institut Agro - Montpellier SupAgro, and Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)

Subjects
Materials science, General Chemical Engineering, Contact Dynamics Method, 02 engineering and technology, Granular material, [PHYS.MECA.SOLID]Physics [physics]/Mechanics [physics]/Mechanics of the solides [physics.class-ph], [PHYS.MECA.MEMA]Physics [physics]/Mechanics [physics]/Mechanics of materials [physics.class-ph], 020401 chemical engineering, Breakage, [PHYS.MECA.SOLID]Physics [physics]/Mechanics [physics]/Solid mechanics [physics.class-ph], Ball mill, [SPI.GPROC]Engineering Sciences [physics]/Chemical and Process Engineering, 0204 chemical engineering, Discret-Element Method, Granular materials, Grinding, Mechanics, Dissipation, 021001 nanoscience & nanotechnology, Grain size, Volume (thermodynamics), Bonded-Cell method, Particle, Comminution, 0210 nano-technology
Abstract

International audience; By means of Discrete-Element simulations with Bonded-Cell method for particle breakage, we investigate the evolution of crushable granular materials in a 2D rotating drum partially filled with heavy balls and powder grains. The grinding process with balls of different sizes or numbers is analyzed in terms of grain size and specific surface. The grinding rate is an increasing function of the number of balls, but, as a result of increasing energy dissipation by inelastic collisions between the balls, the process becomes energetically less efficient for larger number of balls. When the total volume of balls is kept constant, the ball size has generally little influence on particle breakage. We also introduce a model for the evolution of three size classes by accounting for the cushioning effect and transition rates between the classes. This model predicts an exponential decrease of the volume of large particles at the beginning of the process.

Published
2020

4. Discrete-element model for dynamic fracture of a single particle

Author

Philippe Sornay, Luisa Fernanda Orozco, Jean-Yves Delenne, Farhang Radjai, Laboratoire des Combustibles Uranium (LCU), Service d'Analyses, d'Elaboration, d'Expérientations et d'Examens des combustibles (SA3E), Département d'Etudes des Combustibles (DEC), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Département d'Etudes des Combustibles (DEC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Physique et Mécanique des Milieux Divisés (PMMD), Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC), Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Ingénierie des Agro-polymères et Technologies Émergentes (UMR IATE), Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad)-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Université Montpellier 2 - Sciences et Techniques (UM2)-Centre international d'études supérieures en sciences agronomiques (Montpellier SupAgro)-Université de Montpellier (UM)-Institut national d’études supérieures agronomiques de Montpellier (Montpellier SupAgro), Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro), CEA-Direction de l'Energie Nucléaire (CEA-DEN), and Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-CEA-Direction de l'Energie Nucléaire (CEA-DEN)

Subjects
Materials science, Discretization, Inelastic collision, 02 engineering and technology, Impact test, Kinetic energy, Granular material, Quantitative Biology::Cell Behavior, [SPI]Engineering Sciences [physics], 0203 mechanical engineering, Contact dynamics, Fracture energy, General Materials Science, Scaling, [PHYS]Physics [physics], Granular materials, Applied Mathematics, Mechanical Engineering, DEM, Fracture mechanics, Mechanics, 021001 nanoscience & nanotechnology, Condensed Matter Physics, 020303 mechanical engineering & transports, Damage, Mechanics of Materials, Modeling and Simulation, Impact, 0210 nano-technology
Abstract

International audience; We investigate the dynamic fracture of a single particle impacting a flat surface using 3D DEM simulations based on a fragmentation model involving both a stress threshold and a fracture energy. The particle is assumed to be perfectly rigid and discretized into polyhedral Voronoï cells with cohesive interfaces. A cell-cell interface loses its cohesion when it is at a normal or tangential stress threshold and an amount of work equal to the fracture energy is absorbed as a result of the relative cell-cell displacements. Upon impact, the kinetic energy of the particle is partially consumed to fracture cell-cell contacts but also restituted to the fragments or dissipated by inelastic collisions. We analyze the damage and fragmentation efficiency as a function of the impact energy and stress thresholds and their scaling with fracture energy and impact force. In particular, we find that the fragmentation efficiency, defined as the ratio of the consumed fracture energy to the impact energy, is unmonotonic as a function of the impact energy, the highest efficiency occurring for a specific value of the impact energy.

Published
2019

5. Effect of particle shape on particle breakage inside rotating cylinders

Author

Philippe Sornay, Luisa Fernanda Orozco, Farhang Radjai, Jean-Yves Delenne, Physique et Mécanique des Milieux Divisés (PMMD), Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC), Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire des Combustibles Uranium (LCU), Service d'Analyses, d'Elaboration, d'Expérientations et d'Examens des combustibles (SA3E), Département d'Etudes des Combustibles (DEC), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Département d'Etudes des Combustibles (DEC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Ingénierie des Agro-polymères et Technologies Émergentes (UMR IATE), Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad)-Université de Montpellier (UM)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Institut Agro - Montpellier SupAgro, Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro), Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad)-Centre international d'études supérieures en sciences agronomiques (Montpellier SupAgro)-Université de Montpellier (UM)-Institut national d’études supérieures agronomiques de Montpellier (Montpellier SupAgro), and Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)

Subjects
Dilatant, Materials science, Physics, QC1-999, Flow (psychology), [PHYS.MECA]Physics [physics]/Mechanics [physics], Mechanics, Kinetic energy, 01 natural sciences, Layer thickness, 010305 fluids & plasmas, Physics::Fluid Dynamics, Breakage, Particle dynamics, Free surface, 0103 physical sciences, Particle, 010306 general physics
Abstract

International audience; We study the influence of particle shape on the evolution of particle breakage process taking place inside rotating cylinders. Extensive particle dynamics simulations taking into account the dynamics of the granular flow, particle breakage, and polygonal particle shapes were carried out. We find that the rate of particle breakage is faster in samples composed of initially rounder particles. The analysis of the active flowing layer thickness suggests that for samples composed of rounder particles a relatively lower dilatancy and higher connectivity lead to a less curved free surface profile. As a result, rounder particles rolling down the free surface have a higher mobility and thus higher velocities. In consequence, the faster breakage observed for rounder initial particles is due to the larger particles kinetic energy at the toe of the flow.

Published
2021

6. Rheology of granular materials composed of crushable particles

Author

Farhang Radjai, Philippe Sornay, Duc Hanh Nguyen, Emilien Azéma, Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC), Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Physique et Mécanique des Milieux Divisés (PMMD), Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire des Combustibles Uranium (LCU), Service d'Analyses, d'Elaboration, d'Expérientations et d'Examens des combustibles (SA3E), Département d'Etudes des Combustibles (DEC), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Département d'Etudes des Combustibles (DEC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), National University of Civil Engineering (NUCE), Multiscale Material Science for Energy and Environment (MSE 2), and Massachusetts Institute of Technology (MIT)

Subjects
Dilatant, Materials science, Biophysics, contact dynamic, Granular material, 01 natural sciences, 010305 fluids & plasmas, Rheology, Breakage, fragmentation, 0103 physical sciences, General Materials Science, 010306 general physics, Shearing (physics), Surfaces and Interfaces, General Chemistry, Mechanics, [PHYS.MECA]Physics [physics]/Mechanics [physics], Overburden pressure, Condensed Matter::Soft Condensed Matter, granular, Particle-size distribution, Cohesion (chemistry), texture, [PHYS.COND.CM-SCM]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Soft Condensed Matter [cond-mat.soft], Biotechnology
Abstract

International audience; We investigate sheared granular materials composed of crushable particles by means of contact dynamics simulations and the bonded-cell model for particle breakage. Each particle is paved by irregular cells interacting via cohesive forces. In each simulation, the ratio of the internal cohesion of particles to the confining pressure, the relative cohesion, is kept constant and the packing is subjected to biaxial shearing. The particles can break into two or more fragments when the internal cohesive forces are overcome by the action of compressive force chains between particles. The particle size distribution evolves during shear as the particles continue to break. We find that the breakage process is highly inhomogeneous both in the fragment sizes and their locations inside the packing. In particular, a number of large particles never break whereas a large number of particles are fully shattered. As a result, the packing keeps the memory of its initial particle size distribution, whereas a power-law distribution is observed for particles of intermediate size due to consecutive fragmentation events whereby the memory of the initial state is lost. Due to growing polydispersity, dense shear bands are formed inside the packings and the usual dilatant behavior is reduced or cancelled. Hence, the stress-strain curve no longer passes through a peak stress, and a progressive monotonic evolution towards a pseudo-steady state is observed instead. We find that the crushing rate is controlled by the confining pressure. We also show that the shear strength of the packing is well expressed in terms of contact anisotropies and force anisotropies. The force anisotropy increases while the contact orientation anisotropy declines for increasing internal cohesion of the particles. These two effects compensate each other so that the shear strength is nearly independent of the internal cohesion of particles.

Published
2018

7. Rheology and structure of polydisperse three-dimensional packings of spheres

Author

Philippe Sornay, Emilien Azéma, Farhang Radjai, David Cantor, Laboratoire des Combustibles Uranium (LCU), Service d'Analyses, d'Elaboration, d'Expérientations et d'Examens des combustibles (SA3E), Département d'Etudes des Combustibles (DEC), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Département d'Etudes des Combustibles (DEC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Physique et Mécanique des Milieux Divisés (PMMD), Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC), and Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)

Subjects
education.field_of_study, Materials science, Population, Mechanics, [PHYS.MECA]Physics [physics]/Mechanics [physics], Atomic packing factor, Polydispersity, 01 natural sciences, Discrete element method, 010305 fluids & plasmas, Simple shear, Condensed Matter::Soft Condensed Matter, Rheology, 0103 physical sciences, Shear strength, Particle, rheology, Particle size, [PHYS.COND]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat], 010306 general physics, education, discrete element method, granular dynamic
Abstract

International audience; We use three-dimensional contact dynamics simulations to analyze the rheology of polydisperse packings of spherical particles subjected to simple shear. The macroscopic and microstructural properties of several packings are analyzed as a function of their size span (from nearly monodisperse to highly polydisperse). Consistently with previous two-dimensional simulations, we find that the shear strength is independent of the size span despite the increase of packing fraction with size polydispersity. At the grain scale, we analyze the particle connectivity, force transmission, and the corresponding anisotropies of the contact and force networks. We show that force distributions become increasingly broader as the size span increases. In particular, stronger forces are captured by large particles, which are also better connected creating the so-called granular backbone. Throughout this backbone friction mobilization is rare and compressive forces control the stability of such structure. In return, small particles create an important population of rattlers discarded of the strength and granular structure analysis. As a consequence, the contact anisotropy declines with size span, whereas the force and branch anisotropies increase. These microstructural compensations allow us to explain the independence of the shear strength from particle size polydispersity.

Published
2018

8. Microstructural evolution of uranium dioxide following compression creep tests: An EBSD and image analysis study

Author

C. Cagna, X. Iltis, Philippe Sornay, Alain Hazotte, Nathalie Gey, Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Laboratoire d'Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (LEM3), Université de Lorraine (UL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Arts et Métiers Sciences et Technologies, HESAM Université (HESAM)-HESAM Université (HESAM), Labex DAMAS, Université de Lorraine (UL), and HESAM Université - Communauté d'universités et d'établissements Hautes écoles Sorbonne Arts et métiers université (HESAM)-HESAM Université - Communauté d'universités et d'établissements Hautes écoles Sorbonne Arts et métiers université (HESAM)

Subjects
Nuclear and High Energy Physics, education.field_of_study, Materials science, Metallurgy, Population, [CHIM.MATE]Chemical Sciences/Material chemistry, Deformation (meteorology), Grain size, [SPI]Engineering Sciences [physics], Nuclear Energy and Engineering, Creep, General Materials Science, Grain boundary, Compression (geology), education, Grain Boundary Sliding, Electron backscatter diffraction
Abstract

International audience; Sintered UO2 pellets with relatively large grains (similar to 25 pm) are tested at 1500 degrees C under a compressive stress of 50 MPa, at different deformation levels up to 12%. Electron Back Scattered Diffraction (EBSD) is used to follow the evolution, with deformation, of grains (size, shape, orientation) and sub-grains. Image analyses of SEM images are performed to characterize emergence of a population of micron size voids. For the considered microstructure and test conditions, the results show that the deformation process of UO2 globally corresponds to grain boundary sliding, partly accommodated by a dislocational creep within the grains, leading to a highly sub-structured state.

Published
2015

9. Numerical simulation of the compaction of crushable grains in 3D

Author

David Cantor, Farhang Radjai, Emilien Azéma, Philippe Sornay, Laboratoire des Combustibles Uranium ( LCU ), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives ( CEA ), Physique et Mécanique des Milieux Divisés ( PMMD ), Laboratoire de Mécanique et Génie Civil ( LMGC ), Université de Montpellier ( UM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Université de Montpellier ( UM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Université de Montpellier ( UM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Multiscale Materials Science for Energy and Environment ( MSE2 ), Massachusetts Institute of Technology ( MIT ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Laboratoire des Combustibles Uranium (LCU), Service d'Analyses, d'Elaboration, d'Expérientations et d'Examens des combustibles (SA3E), Département d'Etudes des Combustibles (DEC), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Département d'Etudes des Combustibles (DEC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Physique et Mécanique des Milieux Divisés (PMMD), Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC), Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Multiscale Material Science for Energy and Environment (MSE 2), and Massachusetts Institute of Technology (MIT)

Subjects
size polydispersity, QC1-999, [ SPI.MAT ] Engineering Sciences [physics]/Materials, 0211 other engineering and technologies, Compaction, Failure mechanism, 02 engineering and technology, [SPI.MECA.MSMECA]Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Materials and structures in mechanics [physics.class-ph], [SPI.MECA.SOLID]Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Solid mechanics [physics.class-ph], polyhedra, 01 natural sciences, 010305 fluids & plasmas, [SPI.MAT]Engineering Sciences [physics]/Materials, Brittleness, Fragmentation, 0103 physical sciences, [SPI.MECA.MEMA]Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Mechanics of materials [physics.class-ph], [ SPI.MECA.SOLID ] Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Mechanics of the solides [physics.class-ph], Statistical physics, 021101 geological & geomatics engineering, Physics, Computer simulation, Mechanics, [ SPI.MECA.MSMECA ] Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Materials and structures in mechanics [physics.class-ph], Grain size, [ SPI.MECA.MEMA ] Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Mechanics of materials [physics.class-ph], Particle-size distribution, 3D
Abstract

International audience; Grain fragmentation is simulated by means of a three-dimensional discrete element approach calledbonded-cell method (BCM). In this method, grains and potential fragments may have any polyhedral shape andsize, capturing the geometrical complexity of brittle grain failure. As an application of this method, we presentthe uniaxial compaction of samples composed of several grains and we analyse the load-density relations, thegrain size evolution, and the failure mechanism within the grains. This numerical approach permitted us toanalyse the e↵ect of the grains internal strength on the macroscopic compaction behaviour and to study theevolution of the grain size distribution towards a power-law distribution as several experiments have shown inliterature. Finally, we present a brief micro-mechanical analysis on the failure modes within the grains, lettingus know the kind of stresses that prompts grain fragmentation.

Published
2017

10. Granular compaction and stretched exponentials

Author

Blanche Dalloz, Philippe Sornay, Jean-Eric Mathonnet, Maxime Nicolas, Institut universitaire des systèmes thermiques industriels (IUSTI), Aix Marseille Université (AMU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), and Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)

Subjects
Stretched exponential function, Logarithm, [PHYS.NUCL]Physics [physics]/Nuclear Theory [nucl-th], Computer science, Stochastic modelling, QC1-999, Compaction, 02 engineering and technology, [PHYS.NEXP]Physics [physics]/Nuclear Experiment [nucl-ex], 010402 general chemistry, Granular material, 01 natural sciences, stretched, numerical, stochastic, compaction, Statistical physics, exponentials, model, Physics, Mechanics, 021001 nanoscience & nanotechnology, 0104 chemical sciences, Exponential function, Condensed Matter::Soft Condensed Matter, Vibration, Exponent, 0210 nano-technology, Granular
Abstract

We present a stochastic model to investigate the compaction kinetics of a granular material submitted to vibration. The model is compared to experimental results obtained with glass beads and with a cohesive powder. We also propose a physical interpretation of the characteristic time τ and the exponent β of the stretched exponential function widely used to represent the granular compaction kinetics, and we show that the characteristic time is proportional to the number of grains to move. The exponent β is expressed as a logarithmic compaction rate.

Published
2017

11. Compaction of noncohesive and cohesive granular materials under vibrations: Experiments and stochastic model

Author

Jean-Eric Mathonnet, Philippe Sornay, Maxime Nicolas, and Blanche Dalloz-Dubrujeaud

Subjects
Vibration, Materials science, Scale (ratio), Stochastic modelling, 0103 physical sciences, Empirical expressions, Compaction, Time evolution, Mechanics, 010306 general physics, Granular material, 01 natural sciences, 010305 fluids & plasmas
Abstract

We study the time evolution of the compaction of a noncohesive or cohesive granular material submitted to shaking through experiments and a stochastic model. Beyond well-known empirical expressions, we show that the characteristic time scales depend on the number of objects in the assembly. For a noncohesive granular material, the compaction time scale is governed by the number of individual grains in the system. In the case of a cohesive granular material, a two-scale model (individual particles and clusters) allows one to mimic the time evolution of the compaction of an actual cohesive powder driven by horizontal vibrations. In this case, the two time scales are associated with the numbers of clusters and grains, respectively.

Published
2017

12. A new fabrication route for SFR fuel using (U, Pu)O2 powder obtained by oxalic co-conversion

Author

Philippe Sornay, Renaud C. Belin, Laurence Aufore, Stéphane Grandjean, and Stéphane Vaudez

Subjects
Nuclear and High Energy Physics, Materials science, Uranium dioxide, Metallurgy, Pellets, Oxide, Sintering, Raw material, chemistry.chemical_compound, Nuclear Energy and Engineering, chemistry, Powder metallurgy, Mixed oxide, General Materials Science, Energy source
Abstract

The standard powder metallurgy preparation of SFR (Sodium Fast Reactor) oxide fuel involves UO 2 and PuO 2 co-milling. An alternative route, using a solid-solution of mixed oxide obtained by oxalic co-conversion as the starting material, is presented. It was used to manufacture nuclear fuels for the “COPIX” irradiation conducted in the Phenix SFR. Two processes using co-converted powders were tested to elaborate fuel pellets: (1) the Direct Process that consists in pressing and sintering the mixed oxide with the final Pu content and (2) the Dilution Process, which involves the dilution of a high Pu content mixed oxide with UO 2 . After studying the structural and microstructural evolution with temperature of these innovative raw materials, the elaboration parameters were adjusted to obtain final pellets in accordance with the Phenix fuel specifications. This study demonstrates the feasibility of such new fabrication route at laboratory scale and, from a more fundamental prospect, allows a better understanding of the underlying phenomena involved during sintering.

Published
2013

13. Three-dimensional bonded-cell model for grain fragmentation

Author

Emilien Azéma, Farhang Radjai, Philippe Sornay, David Cantor, Laboratoire de Mécanique et Génie Civil ( LMGC ), Université de Montpellier ( UM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Physique et Mécanique des Milieux Divisés ( PMMD ), Université de Montpellier ( UM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Université de Montpellier ( UM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Laboratoire des Combustibles Uranium ( LCU ), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives ( CEA ), Chiang Mai university (Thaïlande), Multiscale Materials Science for Energy and Environment ( MSE2 ), Massachusetts Institute of Technology ( MIT ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Physique et Mécanique des Milieux Divisés (PMMD), Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC), Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire des Combustibles Uranium (LCU), Service d'Analyses, d'Elaboration, d'Expérientations et d'Examens des combustibles (SA3E), Département d'Etudes des Combustibles (DEC), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Département d'Etudes des Combustibles (DEC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Chiang Mai University (CMU), Multiscale Material Science for Energy and Environment (MSE 2), and Massachusetts Institute of Technology (MIT)

Subjects
Materials science, [ SPI.MAT ] Engineering Sciences [physics]/Materials, 0211 other engineering and technologies, Computational Mechanics, 02 engineering and technology, [SPI.MECA.SOLID]Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Solid mechanics [physics.class-ph], 01 natural sciences, Contact dynamics method, [SPI.MAT]Engineering Sciences [physics]/Materials, Discrete element method, Weibull statistics, Fragmentation, 0103 physical sciences, Ultimate tensile strength, [SPI.MECA.MEMA]Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Mechanics of materials [physics.class-ph], [ SPI.MECA.SOLID ] Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Mechanics of the solides [physics.class-ph], Contact dynamics, Composite material, 010306 general physics, Interlocking, 021101 geological & geomatics engineering, Civil and Structural Engineering, Weibull distribution, Fluid Flow and Transfer Processes, Numerical Analysis, Voronoi cell, Numerical analysis, Bonded-cell model, Computational Mathematics, Modeling and Simulation, [ SPI.MECA.MEMA ] Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Mechanics of materials [physics.class-ph], Comminution, Voronoi diagram
Abstract

International audience; We present a three-dimensional numerical method for the simulation of particle crushing in 3D. This model is capable of producing irregular angular fragments upon particle fragmentation while conserving the total volume. The particle is modeled as a cluster of rigid polyhedral cells generated by a Voronoi tessellation. The cells are bonded along their faces by a cohesive Tresca law with independent tensile and shear strengths and simulated by the contact dynamics method. Using this model, we analyze the mechanical response of a single particle subjected to diametral compression for varying number of cells, their degree of disorder, and intercell tensile and shear strength. In particular, we identify the functional dependence of particle strength on the intercell strengths. We find that two different regimes can be distinguished depending on whether intercell shear strength is below or above its tensile strength. In both regimes, we observe a power-law dependence of particle strength on both intercell strengths but with different exponents. The strong effect of intercell shear strength on the particle strength reflects an interlocking effect between cells. In fact, even at low tensile strength, the particle global strength can still considerably increase with intercell shear strength. We finally show that the Weibull statistics describes well the particlestrength variability.

Published
2016

14. Identification of the fragmentation of brittle particles during compaction process by the acoustic emission technique

Author

Lise Hégron, Nathalie Favretto-Cristini, Philippe Sornay, Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique [Marseille] (LMA ), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Aix Marseille Université (AMU)-École Centrale de Marseille (ECM), Laboratoire des Combustibles Uranium (LCU), Service d'Analyses, d'Elaboration, d'Expérientations et d'Examens des combustibles (SA3E), Département d'Etudes des Combustibles (DEC), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Département d'Etudes des Combustibles (DEC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), CEA, MISTRAL-Lab, and Aix Marseille Université (AMU)-École Centrale de Marseille (ECM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)

Subjects
Materials science, Acoustics and Ultrasonics, 0211 other engineering and technologies, Compaction, 02 engineering and technology, UO2, 021001 nanoscience & nanotechnology, Granular material, 7. Clean energy, [SPI.MAT]Engineering Sciences [physics]/Materials, Acoustic emission, Brittleness, Fragmentation, Powder metallurgy, [SPI.MECA.MEMA]Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Mechanics of materials [physics.class-ph], Acoustic signature, Particle size, Composite material, 0210 nano-technology, Porosity, 021101 geological & geomatics engineering
Abstract

International audience; Some nuclear fuels are currently manufactured by a powder metallurgy process that consists of three main steps, namely preparation of the powders, powder compaction, and sintering of the compact. An optimum between size, shape and cohesion of the particles of the nuclear fuels must be sought in order to obtain a compact with a sufficient mechanical strength, and to facilitate the release of helium and fission gases during irradiation through pores connected to the outside of the pellet after sintering. Being simple to adapt to nuclear-oriented purposes, the Acoustic Emission (AE) technique is used to control the microstructure of the compact by monitoring the compaction of brittle Uranium Dioxide (UO2) particles of a few hundred micrometers. The objective is to identify in situ the mechanisms that occur during the UO2 compaction, and more specifically the particle fragmentation that is linked to the open porosity of the nuclear matter. Three zones of acoustic activity, strongly related to the applied stress, can be clearly defined from analysis of the continuous signals recorded during the compaction process. They correspond to particle rearrangement and/or fragmentation. The end of the noteworthy fragmentation process is clearly defined as the end of the significant process that increases the compactness of the material. Despite the fact that the wave propagation strongly evolves during the compaction process, the acoustic signature of the fragmentation of a single UO2 particle and a bed of UO2 particles under compaction is well identified. The waveform, with a short rise time and an exponential-like decay of the signal envelope, is the most reliable descriptor. The impact of the particle size and cohesion on the AE activity, and then on the fragmentation domain, is analyzed through the discrete AE signals. The maximum amplitude of the burst signals, as well as the mean stress corresponding to the end of the recorded AE, increase with increasing mean diameter of the particles. Moreover, the maximum burst amplitude increases with increasing particle cohesion.

Published
2016

15. Effects of shape and size polydispersity on strength properties of granular materials

Author

Philippe Sornay, Duc Hanh Nguyen, Farhang Radjai, Emilien Azéma, Laboratoire de Mécanique et Génie Civil ( LMGC ), Université de Montpellier ( UM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Laboratoire des Combustibles Uranium ( LCU ), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives ( CEA ), Physique et Mécanique des Milieux Divisés ( PMMD ), Université de Montpellier ( UM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Université de Montpellier ( UM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Multi-Scale Material Science for Energy and Environment ( (MSC)2 UMI3466 CNRS-MIT ), CNRS-MIT, Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC), Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire des Combustibles Uranium (LCU), Service d'Analyses, d'Elaboration, d'Expérientations et d'Examens des combustibles (SA3E), Département d'Etudes des Combustibles (DEC), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Département d'Etudes des Combustibles (DEC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Physique et Mécanique des Milieux Divisés (PMMD), Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), and Multi-Scale Material Science for Energy and Environment ((MSC)2 UMI3466 CNRS-MIT)

Subjects
Materials science, Dispersity, [ SPI.MAT ] Engineering Sciences [physics]/Materials, [SPI.MECA.MSMECA]Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Materials and structures in mechanics [physics.class-ph], [SPI.MECA.SOLID]Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Solid mechanics [physics.class-ph], Granular material, Microstructure, [ SPI.MECA.MSMECA ] Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Materials and structures in mechanics [physics.class-ph], 01 natural sciences, 010305 fluids & plasmas, [SPI.MAT]Engineering Sciences [physics]/Materials, Physics::Fluid Dynamics, Condensed Matter::Soft Condensed Matter, 0103 physical sciences, Shear strength, [ SPI.MECA.SOLID ] Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Mechanics of the solides [physics.class-ph], Particle, Contact dynamics, Particle size, Composite material, 010306 general physics, Anisotropy
Abstract

International audience; By means of extensive contact dynamics simulations, we analyze the combined effects of polydispersity both in particle size and in particle shape, defined as the degree of shape irregularity, on the shear strength and microstructure of sheared granular materials composed of pentagonal particles. We find that the shear strength is independent of the size span, but unexpectedly, it declines with increasing shape polydispersity. At the same time, the solid fraction is an increasing function of both the size span and the shape polydispersity. Hence, the densest and loosest packings have the same shear strength. At the scale of the particles and their contacts, we analyze the connectivity of particles, force transmission, and friction mobilization as well as their anisotropies. We show that stronger forces are carried by larger particles and propped by an increasing number of small particles. The independence of shear strength with regard to size span is shown to be a consequence of contact network self-organization, with the falloff of contact anisotropy compensated by increasing force anisotropy.

Published
2015

16. Experimental characterization and modelling of UO2 grain boundary cracking at high temperatures and high strain rates

Author

Philippe Sornay, J. Sercombe, Maxime Salvo, Thomas Helfer, Thierry Désoyer, Laboratoire de Simulation du Comportement des Combustibles (LSC), Service d'Etudes de Simulation du Comportement du combustibles (SESC), Département d'Etudes des Combustibles (DEC), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Département d'Etudes des Combustibles (DEC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Laboratoire des Combustibles Uranium (LCU), Service d'Analyses, d'Elaboration, d'Expérientations et d'Examens des combustibles (SA3E), Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique [Marseille] (LMA ), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Aix Marseille Université (AMU)-École Centrale de Marseille (ECM), École Centrale de Marseille (ECM), MISTRAL-Lab, and Aix Marseille Université (AMU)-École Centrale de Marseille (ECM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)

Subjects
010302 applied physics, Nuclear and High Energy Physics, Materials science, Yield (engineering), Viscoplasticity, grain boundaries, 02 engineering and technology, Plasticity, Strain rate, nuclear materials, 021001 nanoscience & nanotechnology, Compression (physics), 01 natural sciences, compression, [PHYS.MECA.MEMA]Physics [physics]/Mechanics [physics]/Mechanics of materials [physics.class-ph], Cracking, Nuclear Energy and Engineering, FE simulations, 0103 physical sciences, General Materials Science, Grain boundary, Scanning Electron Microscopy, Composite material, 0210 nano-technology, Porosity
Abstract

International audience; In this paper, the behavior of a dense UO2 (porosity less than 2%) was studied experimentally on a range of temperatures (1100–1700 °C) and strain rates (10-4–10-110-4–10-1/s) representative of RIA loading conditions. The yield stress was found to increase with strain rate and to decrease with temperature. Macroscopic cracking of the samples was apparent after the tests at 1100 °C. Scanning Electron Microscopy (SEM) image analyses revealed a pronounced grain boundary cracking in the core of the samples tested at 10-110-1/s and at 1550–1700 °C. A hyperbolic sine model for the viscoplastic strain rate with a clear dependency on porosity was first developed. It was completed by a Drucker–Prager yield criterion with associated plastic flow to account for the porosity increase induced by grain boundary cracking. Finite Elements simulations of the compression tests on the dense UO2 were then successfully compared to the stress–strain curves, post-test diameter profiles and porosities at the pellets’ center, periphery and top extremity. The response of the grain boundary cracking model was then studied in biaxial compression, this condition being closer to that of the pellet during a RIA power transient.

Published
2015

17. Numerical Modeling of Particle Breaking Process in Granular Materials: Compaction and Evolution of Size Distribution

Author

Duc Hanh Nguyen, Philippe Sornay, Farhang Radjai, and Emilien Azéma

Subjects
Materials science, Breakage, Particle-size distribution, Compaction, Fracture (geology), Particle, Geotechnical engineering, Composite material, Granular material, Discrete element method, Strengthening mechanisms of materials
Abstract

The compaction of powders depends both on grain rearrangements and grain breakage. We introduce a grain fracture model prescribed in the framework of the contact dynamics method for the simulation of uniaxial compaction. We find that the grain size reduction is highly heterogeneous as a consequence of inhomogeneous stress transmission as observed in real grinding processes or in natural degradation of geomaterials. Even under high stresses, a significant fraction of grains survive whereas many grains are fully shattered. The grain size distribution tends to a power-law distribution with increasing size span. We analyze the progressive evolution of compressibility during compaction as well as the effect of grain shape and size distribution.

Published
2014

18. Bonded-cell model for particle fracture

Author

Farhang Radjai, Philippe Sornay, Duc Hanh Nguyen, Emilien Azéma, Laboratoire de Mécanique et Génie Civil ( LMGC ), Université de Montpellier ( UM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Laboratoire des Combustibles Uranium ( LCU ), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives ( CEA ), Physique et Mécanique des Milieux Divisés ( PMMD ), Université de Montpellier ( UM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Université de Montpellier ( UM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Multiscale Materials Science for Energy and Environment ( MSE2 ), Massachusetts Institute of Technology ( MIT ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC), Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire des Combustibles Uranium (LCU), Service d'Analyses, d'Elaboration, d'Expérientations et d'Examens des combustibles (SA3E), Département d'Etudes des Combustibles (DEC), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Département d'Etudes des Combustibles (DEC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Physique et Mécanique des Milieux Divisés (PMMD), Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Multiscale Material Science for Energy and Environment (MSE 2), and Massachusetts Institute of Technology (MIT)

Subjects
Materials science, [ SPI.MAT ] Engineering Sciences [physics]/Materials, [SPI.MECA.MSMECA]Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Materials and structures in mechanics [physics.class-ph], [SPI.MECA.SOLID]Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Solid mechanics [physics.class-ph], [ SPI.MECA.MSMECA ] Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Materials and structures in mechanics [physics.class-ph], Granular material, [SPI.MAT]Engineering Sciences [physics]/Materials, Compressive strength, [ SPI.MECA.MEMA ] Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Mechanics of materials [physics.class-ph], [SPI.MECA.MEMA]Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Mechanics of materials [physics.class-ph], Ultimate tensile strength, [ SPI.MECA.SOLID ] Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Mechanics of the solides [physics.class-ph], Fracture (geology), Particle, Contact dynamics, Particle size, Composite material, Weibull distribution
Abstract

International audience; Particle degradation and fracture play an important role in natural granular flows and in many applications of granular materials. We analyze the fracture properties of two-dimensional disklike particles modeled as aggregates of rigid cells bonded along their sides by a cohesive Mohr-Coulomb law and simulated by the contact dynamics method. We show that the compressive strength scales with tensile strength between cells but depends also on the friction coefficient and a parameter describing cell shape distribution. The statistical scatter of compressive strength is well described by the Weibull distribution function with a shape parameter varying from 6 to 10 depending on cell shape distribution. We show that this distribution may be understood in terms of percolating critical intercellular contacts. We propose a random-walk model of critical contacts that leads to particle size dependence of the compressive strength in good agreement with our simulation data.

Published
2014

19. Rheology of three-dimensional packings of aggregates: Microstructure and effects of nonconvexity

Author

Jean-Yves Delenne, Farhang Radjai, Philippe Sornay, Emilien Azéma, Baptiste Saint-Cyr, Physique et Mécanique des Milieux Granulaires ( PMMG ), Laboratoire de Mécanique et Génie Civil ( LMGC ), Université de Montpellier ( UM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Université de Montpellier ( UM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Ingénierie des Agro-polymères et Technologies Émergentes ( IATE ), Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement ( CIRAD ) -Institut National de la Recherche Agronomique ( INRA ) -Université Montpellier 2 - Sciences et Techniques ( UM2 ) -Centre international d'études supérieures en sciences agronomiques ( Montpellier SupAgro ) -Université de Montpellier ( UM ) -Institut national d’études supérieures agronomiques de Montpellier ( Montpellier SupAgro ), Laboratoire des Combustibles Uranium ( LCU ), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives ( CEA ), Physique et Mécanique des Milieux Granulaires (PMMG), Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC), Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Ingénierie des Agro-polymères et Technologies Émergentes (UMR IATE), Institut national d’études supérieures agronomiques de Montpellier (Montpellier SupAgro)-Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad)-Centre international d'études supérieures en sciences agronomiques (Montpellier SupAgro)-Université Montpellier 2 - Sciences et Techniques (UM2)-Université de Montpellier (UM)-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA), Laboratoire des Combustibles Uranium (LCU), Service d'Analyses, d'Elaboration, d'Expérientations et d'Examens des combustibles (SA3E), Département d'Etudes des Combustibles (DEC), CEA-Direction de l'Energie Nucléaire (CEA-DEN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-CEA-Direction de l'Energie Nucléaire (CEA-DEN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Département d'Etudes des Combustibles (DEC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Institut national d’études supérieures agronomiques de Montpellier (Montpellier SupAgro), Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad)-Centre international d'études supérieures en sciences agronomiques (Montpellier SupAgro)-Université Montpellier 2 - Sciences et Techniques (UM2)-Université de Montpellier (UM)-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), and Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad)-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Université Montpellier 2 - Sciences et Techniques (UM2)-Centre international d'études supérieures en sciences agronomiques (Montpellier SupAgro)-Université de Montpellier (UM)-Institut national d’études supérieures agronomiques de Montpellier (Montpellier SupAgro)

Subjects
Models, Molecular, DYNAMICS, Materials science, Friction, DISCRETE ELEMENT METHOD, ASSEMBLIES, [ SPI.MAT ] Engineering Sciences [physics]/Materials, ELLIPSOIDS, Granular material, Atomic packing factor, 01 natural sciences, Microscopic scale, 010305 fluids & plasmas, [SPI.MAT]Engineering Sciences [physics]/Materials, Rheology, PARTICLE-SHAPE, GRANULAR-MATERIALS, 0103 physical sciences, SHEAR-STRENGTH, Shear strength, Contact dynamics, Computer Simulation, Colloids, Composite material, 010306 general physics, Anisotropy, CONTACT DETECTION, PACS 45.70.−n, 83.80.Fg, 61.43.−j, Discrete element method, Condensed Matter::Soft Condensed Matter, BALLAST, Models, Chemical, Shear Strength, BEHAVIOR
Abstract

We use three-dimensional contact dynamics simulations to analyze the rheological properties of granular materials composed of rigid aggregates. The aggregates are made from four overlapping spheres and described by a nonconvexity parameter depending on the relative positions of the spheres. The macroscopic and microstructural properties of several sheared packings are analyzed as a function of the degree of nonconvexity of the aggregates. We find that the internal angle of friction increases with the nonconvexity. In contrast, the packing fraction first increases to a maximum value but declines as the nonconvexity increases further. At a high level of nonconvexity, the packings are looser but show a higher shear strength. At the microscopic scale, the fabric and force anisotropy, as well as the friction mobilization, are enhanced by multiple contacts between aggregates and interlocking, thus revealings the mechanical and geometrical origins of shear strength.

Published
2013

20. Modélisation numérique de la compaction des milieux granulaires constitués de grains sécables

Author

Duc Hanh Nguyen, Emilien Azéma, Farhang Radjai, Philippe Sornay, Laboratoire de Mécanique et Génie Civil ( LMGC ), Université de Montpellier ( UM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Laboratoire des Combustibles Uranium ( LCU ), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives ( CEA ), Physique et Mécanique des Milieux Granulaires ( PMMG ), Université de Montpellier ( UM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Université de Montpellier ( UM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC), Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire des Combustibles Uranium (LCU), Service d'Analyses, d'Elaboration, d'Expérientations et d'Examens des combustibles (SA3E), Département d'Etudes des Combustibles (DEC), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Département d'Etudes des Combustibles (DEC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Physique et Mécanique des Milieux Granulaires (PMMG), and Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)

Subjects
granulométrique, polydispersité, matériaux granulaires, fragmentation, [ SPI.MECA.MEFL ] Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Fluids mechanics [physics.class-ph], [ SPI.MECA.SOLID ] Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Mechanics of the solides [physics.class-ph], dynamique des contacts, [SPI.MECA.MSMECA]Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Materials and structures in mechanics [physics.class-ph], [SPI.MECA.SOLID]Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Solid mechanics [physics.class-ph], [ SPI.MECA.MSMECA ] Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Materials and structures in mechanics [physics.class-ph], [SPI.MECA.MEFL]Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Fluids mechanics [physics.class-ph]
Abstract

International audience; La compaction des poudres dans les procédés industriels dépend de divers processus physiques à l'échelle des particules. Nous proposons ici une modélisation numérique discrète qui prend en compte la fragmentation des particules de forme polygonale (dimension 2) par la méthode de dynamique des contacts. Cette approche permet d'étudier le rôle des réarrangements des particules et de leur fragmentation progressive au cours d'une déformation quasi-statique. Nous nous intéressons aux propriétés de compressibilité, ainsi qu'à l'évolution de la granulométrie et de la texture.

Published
2013

21. Cohesive granular materials composed of nonconvex particles

Author

Philippe Sornay, Baptiste Saint-Cyr, Jean-Yves Delenne, Farhang Radjai, Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC), Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Physique et Mécanique des Milieux Granulaires (PMMG), Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire des Combustibles Uranium (LCU), Service d'Analyses, d'Elaboration, d'Expérientations et d'Examens des combustibles (SA3E), Département d'Etudes des Combustibles (DEC), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Département d'Etudes des Combustibles (DEC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Ingénierie des Agro-polymères et Technologies Émergentes (UMR IATE), Institut national d’études supérieures agronomiques de Montpellier (Montpellier SupAgro), Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad)-Centre international d'études supérieures en sciences agronomiques (Montpellier SupAgro)-Université Montpellier 2 - Sciences et Techniques (UM2)-Université de Montpellier (UM)-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA), CEA-Direction de l'Energie Nucléaire (CEA-DEN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-CEA-Direction de l'Energie Nucléaire (CEA-DEN), Institut national d’études supérieures agronomiques de Montpellier (Montpellier SupAgro)-Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad)-Centre international d'études supérieures en sciences agronomiques (Montpellier SupAgro)-Université Montpellier 2 - Sciences et Techniques (UM2)-Université de Montpellier (UM)-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA), and Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad)-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Université Montpellier 2 - Sciences et Techniques (UM2)-Centre international d'études supérieures en sciences agronomiques (Montpellier SupAgro)-Université de Montpellier (UM)-Institut national d’études supérieures agronomiques de Montpellier (Montpellier SupAgro)

Subjects
DYNAMICS, Models, Molecular, Materials science, Friction, DISCRETE ELEMENT METHOD, Surface Properties, ASSEMBLIES, Homogeneous deformation, Granular material, 01 natural sciences, 010305 fluids & plasmas, COMPACTION, MEDIA, [PHYS.MECA.MEMA]Physics [physics]/Mechanics [physics]/Mechanics of materials [physics.class-ph], Axial compression, 0103 physical sciences, Ultimate tensile strength, STRENGTH, [SPI.MECA.MEMA]Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Mechanics of materials [physics.class-ph], Contact dynamics, Computer Simulation, Colloids, Composite material, Particle Size, 010306 general physics, STRESS TRANSMISSION, Shearing (physics), Isotropy, Adhesiveness, POWDERS, Condensed Matter::Soft Condensed Matter, Models, Chemical, SIMULATION, SHAPE, Rheology
Abstract

International audience; The macroscopic cohesion of granular materials made up of sticky particles depends on the particle shapes. We address this issue by performing contact dynamics simulations of 2D packings of nonconvex aggregates. We find that the macroscopic cohesion is strongly dependent on the strain and stress inhomogeneities developing inside the material. The largest cohesion is obtained for nearly homogeneous deformation at the beginning of unconfined axial compression and it evolves linearly with nonconvexity. Interestingly, the aggregates in a sheared packing tend to form more contacts with fewer neighboring aggregates as the degree of nonconvexity increases. We also find that shearing leads either to an isotropic distribution of tensile contacts or to the same privileged direction as that of compressive contacts.

Published
2013

22. A benchmark for particle shape dependence

Author

Gaël Combe, Cécile Nouguier-Lehon, Émilien Azéma, Krzysztof Szarf, Baptiste Saint-Cyr, Marie Chaze, Farhang Radjaï, Pascal Villard, Jean-Yves Delenne, Vincent Richefeu, Philippe Sornay, Charles Voivret, null CEGEO Group, Laboratoire sols, solides, structures - risques [Grenoble] (3SR), Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP)-Institut National Polytechnique de Grenoble (INPG)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes (UGA), GéoMécanique, Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP)-Institut National Polytechnique de Grenoble (INPG)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP)-Institut National Polytechnique de Grenoble (INPG)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes (UGA), Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes (LTDS), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-École Nationale des Travaux Publics de l'État (ENTPE)-Ecole Nationale d'Ingénieurs de Saint Etienne-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Physique et Mécanique des Milieux Granulaires (PMMG), Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC), Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Ingénierie des Agro-polymères et Technologies Émergentes (UMR IATE), Institut national d’études supérieures agronomiques de Montpellier (Montpellier SupAgro)-Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad)-Centre international d'études supérieures en sciences agronomiques (Montpellier SupAgro)-Université Montpellier 2 - Sciences et Techniques (UM2)-Université de Montpellier (UM)-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA), Laboratoire des Combustibles Uranium (LCU), Service d'Analyses, d'Elaboration, d'Expérientations et d'Examens des combustibles (SA3E), Département d'Etudes des Combustibles (DEC), CEA-Direction de l'Energie Nucléaire (CEA-DEN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-CEA-Direction de l'Energie Nucléaire (CEA-DEN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Département d'Etudes des Combustibles (DEC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Département recherche et développements (R&D - SNCF), SNCF, Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)-Institut National Polytechnique de Grenoble (INPG)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)-Institut National Polytechnique de Grenoble (INPG)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)-Institut National Polytechnique de Grenoble (INPG)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut national d’études supérieures agronomiques de Montpellier (Montpellier SupAgro), Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad)-Centre international d'études supérieures en sciences agronomiques (Montpellier SupAgro)-Université Montpellier 2 - Sciences et Techniques (UM2)-Université de Montpellier (UM)-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Laboratoire sols, solides, structures - risques [Grenoble] ( 3S-R ), Université Joseph Fourier - Grenoble 1 ( UJF ) -Institut National Polytechnique de Grenoble ( INPG ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Université Grenoble Alpes ( UGA ), Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes ( LTDS ), École Centrale de Lyon ( ECL ), Université de Lyon-Université de Lyon-École Nationale des Travaux Publics de l'État ( ENTPE ) -Ecole Nationale d'Ingénieurs de Saint Etienne-Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Physique et Mécanique des Milieux Granulaires ( PMMG ), Laboratoire de Mécanique et Génie Civil ( LMGC ), Université de Montpellier ( UM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Université de Montpellier ( UM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Ingénierie des Agro-polymères et Technologies Émergentes ( IATE ), Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement ( CIRAD ) -Institut National de la Recherche Agronomique ( INRA ) -Université Montpellier 2 - Sciences et Techniques ( UM2 ) -Centre international d'études supérieures en sciences agronomiques ( Montpellier SupAgro ) -Université de Montpellier ( UM ) -Institut national d’études supérieures agronomiques de Montpellier ( Montpellier SupAgro ), Laboratoire des Combustibles Uranium ( LCU ), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives ( CEA ), Département recherche et développements ( R&D - SNCF ), Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Institut National Polytechnique de Grenoble (INPG)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Institut National Polytechnique de Grenoble (INPG)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Institut National Polytechnique de Grenoble (INPG)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Lyon-Université de Lyon-École Nationale des Travaux Publics de l'État (ENTPE)-Ecole Nationale d'Ingénieurs de Saint Etienne (ENISE)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), and Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad)-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Université Montpellier 2 - Sciences et Techniques (UM2)-Centre international d'études supérieures en sciences agronomiques (Montpellier SupAgro)-Université de Montpellier (UM)-Institut national d’études supérieures agronomiques de Montpellier (Montpellier SupAgro)

Subjects
Materials science, 02 engineering and technology, [SPI.MECA.MSMECA]Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Materials and structures in mechanics [physics.class-ph], Atomic packing factor, Granular material, 01 natural sciences, Shape parameter, Contact force, [PHYS.MECA.MEMA]Physics [physics]/Mechanics [physics]/Mechanics of materials [physics.class-ph], Molecular dynamics, Shape Dependence, 0103 physical sciences, [SPI.MECA.MEMA]Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Mechanics of materials [physics.class-ph], [ PHYS.MECA.MSMECA ] Physics [physics]/Mechanics [physics]/Materials and structures in mechanics [physics.class-ph], 010308 nuclear & particles physics, Shear Test, Numerical analysis, Random close pack, Molecular Dynamic, Mechanics, [PHYS.MECA.MSMECA]Physics [physics]/Mechanics [physics]/Materials and structures in mechanics [physics.class-ph], 021001 nanoscience & nanotechnology, [ SPI.MECA.MSMECA ] Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Materials and structures in mechanics [physics.class-ph], Polygones, Contact Dynamic, PACS: 45.70.-n, 81.05.Rm, 61.43.Hv, Classical mechanics, [ SPI.MECA.MEMA ] Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Mechanics of materials [physics.class-ph], [ PHYS.MECA.MEMA ] Physics [physics]/Mechanics [physics]/Mechanics of materials [physics.class-ph], Clumps, Direct shear test, 0210 nano-technology, Granular Media
Abstract

International audience; Particle shape is a major parameter for the space-filling and strength properties of granular materials. For a systematic investigation of shape effect, a numerical benchmark test was set up within a collaborative group using different numerical methods and particles of various shape characteristics such as elongation, angularity and nonconvexity. Extensive 2D shear simulations were performed in this framework and the shear strength and packing fraction were compared for different shapes.We show that the results may be analyzed in terms of a low-order shape parameter h describing the degree of distortion from a perfectly circular shape. In particular, the shear strength is an increasing function of h with nearly the same trend for all shapes, the differences being of second order compared to h. We also observe a nontrivial behavior of packing fraction which, for all our simulated shapes, increases with h from the random close packing fraction for disks, reaches a peak considerably higher than that for disks, and subsequently declines as h is further increased. Finally, the analysis of contact forces for the same value of h leads to very similar statistics regardless of our specific particle shapes.

Published
2013

23. Compaction of a granular packing of crushable particles

Author

Duc-Hanh Nguyen, Emilien Azéma, Farhang Radjai, Philippe Sornay, Physique et Mécanique des Milieux Granulaires (PMMG), Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC), Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire des Combustibles Uranium (LCU), Service d'Analyses, d'Elaboration, d'Expérientations et d'Examens des combustibles (SA3E), Département d'Etudes des Combustibles (DEC), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Département d'Etudes des Combustibles (DEC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Physique et Mécanique des Milieux Granulaires ( PMMG ), Laboratoire de Mécanique et Génie Civil ( LMGC ), Université de Montpellier ( UM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Université de Montpellier ( UM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Laboratoire des Combustibles Uranium ( LCU ), and Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives ( CEA )

Subjects
[PHYS.MECA.MEMA]Physics [physics]/Mechanics [physics]/Mechanics of materials [physics.class-ph], [ PHYS.MECA.MEMA ] Physics [physics]/Mechanics [physics]/Mechanics of materials [physics.class-ph], [ SPI.MECA.MEMA ] Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Mechanics of materials [physics.class-ph], [SPI.MECA.MEMA]Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Mechanics of materials [physics.class-ph]
Published
2012

24. Compaction d'un milieu granulaire à particules sécables

Author

Duc-Hanh Nguyen, Farhang Radjai, Emilien Azéma, Philippe Sornay, Physique et Mécanique des Milieux Granulaires (PMMG), Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC), Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire des Combustibles Uranium (LCU), Service d'Analyses, d'Elaboration, d'Expérientations et d'Examens des combustibles (SA3E), Département d'Etudes des Combustibles (DEC), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Département d'Etudes des Combustibles (DEC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Physique et Mécanique des Milieux Granulaires ( PMMG ), Laboratoire de Mécanique et Génie Civil ( LMGC ), Université de Montpellier ( UM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Université de Montpellier ( UM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Laboratoire des Combustibles Uranium ( LCU ), and Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives ( CEA )

Subjects
[PHYS.MECA.MEMA]Physics [physics]/Mechanics [physics]/Mechanics of materials [physics.class-ph], [ PHYS.MECA.MEMA ] Physics [physics]/Mechanics [physics]/Mechanics of materials [physics.class-ph], [ SPI.MECA.MEMA ] Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Mechanics of materials [physics.class-ph], [SPI.MECA.MEMA]Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Mechanics of materials [physics.class-ph], ComputingMilieux_MISCELLANEOUS
Abstract

National audience

Published
2012

25. Particle shape dependence in 2D granular media

Author

Krzysztof Szarf, Emilien Azéma, C. Nouguier-Lehon, Vincent Richefeu, Jean-Yves Delenne, Pascal Villard, Charles Voivret, Gaël Combe, Philippe Sornay, B. Saint-Cyr, Cegeo, Farhang Radjai, Marie Chaze, Physique et Mécanique des Milieux Granulaires ( PMMG ), Laboratoire de Mécanique et Génie Civil ( LMGC ), Université de Montpellier ( UM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Université de Montpellier ( UM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Laboratoire sols, solides, structures - risques [Grenoble] ( 3S-R ), Université Joseph Fourier - Grenoble 1 ( UJF ) -Institut National Polytechnique de Grenoble ( INPG ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Université Grenoble Alpes ( UGA ), Département recherche et développements ( R&D - SNCF ), SNCF, École Centrale de Lyon ( ECL ), Université de Lyon, Laboratoire Sols, Solides, Structures ( 3S ), Université Joseph Fourier - Grenoble 1 ( UJF ), Laboratoire des Combustibles Uranium ( LCU ), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives ( CEA ), Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes ( LTDS-ENSMSE ), École des Mines de Saint-Étienne ( Mines Saint-Étienne MSE ), Institut Mines-Télécom [Paris]-Institut Mines-Télécom [Paris]-École Centrale de Lyon ( ECL ), Université de Lyon-Université de Lyon-Ecole Nationale d'Ingénieurs de Saint Etienne-Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Physique et Mécanique des Milieux Granulaires (PMMG), Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC), Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire sols, solides, structures - risques [Grenoble] (3SR), Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)-Institut National Polytechnique de Grenoble (INPG)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Département recherche et développements (R&D - SNCF), École Centrale de Lyon (ECL), Laboratoire Sols, Solides, Structures (3S), Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF), Laboratoire des Combustibles Uranium (LCU), Service d'Analyses, d'Elaboration, d'Expérientations et d'Examens des combustibles (SA3E), Département d'Etudes des Combustibles (DEC), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Département d'Etudes des Combustibles (DEC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes (LTDS), Université de Lyon-Université de Lyon-École Nationale des Travaux Publics de l'État (ENTPE)-Ecole Nationale d'Ingénieurs de Saint Etienne-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Société Nationale des Chemins de Fer Français (SNCF), Ingénierie des Agro-polymères et Technologies Émergentes (UMR IATE), Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad)-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Université Montpellier 2 - Sciences et Techniques (UM2)-Centre international d'études supérieures en sciences agronomiques (Montpellier SupAgro)-Université de Montpellier (UM)-Institut national d’études supérieures agronomiques de Montpellier (Montpellier SupAgro), Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro), Université de Lyon (COMUE), French government, Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Institut National Polytechnique de Grenoble (INPG)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), and Université de Lyon-Université de Lyon-École Nationale des Travaux Publics de l'État (ENTPE)-Ecole Nationale d'Ingénieurs de Saint Etienne (ENISE)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)

Subjects
Materials science, ASSEMBLIES, FOS: Physical sciences, General Physics and Astronomy, ELLIPSOIDS, Condensed Matter - Soft Condensed Matter, Granular material, Atomic packing factor, 01 natural sciences, Convexity, Shape parameter, 010305 fluids & plasmas, [PHYS.MECA.MEMA]Physics [physics]/Mechanics [physics]/Mechanics of materials [physics.class-ph], [SPI]Engineering Sciences [physics], Distortion, [SDV.IDA]Life Sciences [q-bio]/Food engineering, [SPI.MECA.MEMA]Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Mechanics of materials [physics.class-ph], 0103 physical sciences, particle shape, granular matter, [SPI.GPROC]Engineering Sciences [physics]/Chemical and Process Engineering, shear strength, 010306 general physics, packing fraction, Random close pack, friction mobilization, Mechanics, PACKINGS, Condensed Matter::Soft Condensed Matter, [ PHYS.MECA.MEMA ] Physics [physics]/Mechanics [physics]/Mechanics of materials [physics.class-ph], [ SPI.MECA.MEMA ] Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Mechanics of materials [physics.class-ph], Soft Condensed Matter (cond-mat.soft), Particle, Shear strength (discontinuity)
Abstract

Particle shape is a key to the space-filling and strength properties of granular matter. We consider a shape parameter $\eta$ describing the degree of distortion from a perfectly spherical shape. Encompassing most specific shape characteristics such as elongation, angularity and nonconvexity, $\eta$ is a low-order but generic parameter that we used in a numerical benchmark test for a systematic investigation of shape-dependence in sheared granular packings composed of particles of different shapes. We find that the shear strength is an increasing function of $\eta$ with nearly the same trend for all shapes, the differences appearing thus to be of second order compared to $\eta$. We also observe a nontrivial behavior of packing fraction which, for all our simulated shapes, increases with $\eta$ from the random close packing fraction for disks, reaches a peak considerably higher than that for disks, and subsequently declines as $\eta$ is further increased. These findings suggest that a low-order description of particle shape accounts for the principal trends of packing fraction and shear strength. Hence, the effect of second-order shape parameters may be investigated by considering different shapes at the same level of $\eta$., Comment: 5 pages, 8 figures

Published
2012

26. Angular particle sliding down a transversally vibrated smooth plane

Author

Maxime Nicolas, Philippe Sornay, Arnaud Benedetti, Blanche Dalloz, Laboratoire des Combustibles Uranium (LCU), Service d'Analyses, d'Elaboration, d'Expérientations et d'Examens des combustibles (SA3E), Département d'Etudes des Combustibles (DEC), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Département d'Etudes des Combustibles (DEC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Institut universitaire des systèmes thermiques industriels (IUSTI), and Aix Marseille Université (AMU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)

Subjects
Physics, Friction coefficient, [PHYS.MECA.VIBR]Physics [physics]/Mechanics [physics]/Vibrations [physics.class-ph], Friction, Rotation, Plane (geometry), Static Electricity, Motion (geometry), 02 engineering and technology, Mechanics, 021001 nanoscience & nanotechnology, 01 natural sciences, Models, Chemical, 0103 physical sciences, Coulomb, Particle, Nanoparticles, Dynamical friction, Computer Simulation, Stress, Mechanical, 010306 general physics, 0210 nano-technology, Dimensionless quantity, Gravitation
Abstract

International audience; We present a theoretical, numerical, and experimental study about the sliding motion of an angular particle down a vibrated smooth plane. The model is based on a Coulomb's friction law with a unique friction coefficient. The model is solved numerically and is tested with controlled experiments. Different motion regimes are identified and the particle behavior is governed by two dimensionless parameters. The comparison between experimental and numerical results gives an indirect access to the dynamic friction coefficient.

Published
2011

27. Rheology of granular materials composed of nonconvex particles

Author

Charles Voivret, Jean-Yves Delenne, Baptiste Saint-Cyr, Philippe Sornay, Farhang Radjai, Physique et Mécanique des Milieux Granulaires (PMMG), Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC), Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire des Combustibles Uranium (LCU), Service d'Analyses, d'Elaboration, d'Expérientations et d'Examens des combustibles (SA3E), Département d'Etudes des Combustibles (DEC), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Département d'Etudes des Combustibles (DEC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Ingénierie des Agro-polymères et Technologies Émergentes (UMR IATE), Institut national d’études supérieures agronomiques de Montpellier (Montpellier SupAgro)-Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad)-Centre international d'études supérieures en sciences agronomiques (Montpellier SupAgro)-Université Montpellier 2 - Sciences et Techniques (UM2)-Université de Montpellier (UM)-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA), Département recherche et développements (R&D - SNCF), SNCF, Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), CEA-Direction de l'Energie Nucléaire (CEA-DEN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-CEA-Direction de l'Energie Nucléaire (CEA-DEN), Physique et Mécanique des Milieux Granulaires ( PMMG ), Laboratoire de Mécanique et Génie Civil ( LMGC ), Université de Montpellier ( UM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Université de Montpellier ( UM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Ingénierie des Agro-polymères et Technologies Émergentes ( IATE ), Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement ( CIRAD ) -Institut National de la Recherche Agronomique ( INRA ) -Université Montpellier 2 - Sciences et Techniques ( UM2 ) -Centre international d'études supérieures en sciences agronomiques ( Montpellier SupAgro ) -Université de Montpellier ( UM ) -Institut national d’études supérieures agronomiques de Montpellier ( Montpellier SupAgro ), Département recherche et développements ( R&D - SNCF ), Université de Montpellier ( UM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Laboratoire des Combustibles Uranium ( LCU ), and Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives ( CEA )

Subjects
Materials science, Isotropy, Mechanics, Granular material, Atomic packing factor, 01 natural sciences, 010305 fluids & plasmas, [PHYS.MECA.MEMA]Physics [physics]/Mechanics [physics]/Mechanics of materials [physics.class-ph], Rheology, [ PHYS.MECA.MEMA ] Physics [physics]/Mechanics [physics]/Mechanics of materials [physics.class-ph], [ SPI.MECA.MEMA ] Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Mechanics of materials [physics.class-ph], 0103 physical sciences, [SPI.MECA.MEMA]Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Mechanics of materials [physics.class-ph], Shear strength, Particle, Contact dynamics, 010306 general physics, Anisotropy, ComputingMilieux_MISCELLANEOUS
Abstract

International audience; By means of contact dynamics simulations, we investigate the shear strength and internal structure of granular materials composed of two-dimensional nonconvex aggregates. We find that the packing fraction first grows as the nonconvexity is increased but declines at higher nonconvexity. This unmonotonic dependence reflects the competing effects of pore size reduction between convex borders of aggregates and gain in porosity at the nonconvex borders that are captured in a simple model fitting nicely the simulation data both in the isotropic and sheared packings. On the other hand, the internal angle of friction increases linearly with nonconvexity and saturates to a value independent of nonconvexity. We show that fabric anisotropy, force anisotropy, and friction mobilization, all enhanced by multiple contacts between aggregates, govern the observed increase of shear strength and its saturation with increasing nonconvexity. The main effect of interlocking is to dislocate frictional dissipation from the locked double and triple contacts between aggregates to the simple contacts between clusters of aggregates. This self-organization of particle motions allows the packing to keep a constant shear strength at high nonconvexity.

Published
2011

28. Compaction of aggregated ceramic powders: From contact laws to fracture and yield surfaces

Author

Philippe Sornay, F. Sans, Christophe L. Martin, Gérard Delette, Patrick Pizette, Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés (SIMaP), Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Institut National Polytechnique de Grenoble (INPG)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire Essais et Validations (LEV), and Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)

Subjects
010302 applied physics, Materials science, Aggregate (composite), Yield (engineering), business.industry, General Chemical Engineering, Design of experiments, Compaction, 02 engineering and technology, Structural engineering, [CHIM.MATE]Chemical Sciences/Material chemistry, 021001 nanoscience & nanotechnology, 01 natural sciences, Discrete element method, Physics::Geophysics, [SPI.MAT]Engineering Sciences [physics]/Materials, Stress (mechanics), visual_art, 0103 physical sciences, Fracture (geology), visual_art.visual_art_medium, Ceramic, Composite material, 0210 nano-technology, business
Abstract

Compaction ; ceramic powder ; aggregates ; discrete element simulation ; densification behavior ; cold compaction ; metal-powder ; localized ; densification ; induced anisotropy ; element method ; simulation ; compression ; formulation ; transition; International audience; This work describes a methodology based on Discrete Element Method (DEM) simulations to generate yield and fracture surfaces for aggregated ceramic powders. The DEM simulations, which consider the length scale of porous aggregates. are used as numerical triaxial experiments to obtain the behavior of a small volume element of powder under a given load. The experimental identification procedure, which relies on the Design Of Experiment method, is designed to limit the number of experiments and simulations needed to obtain the model material parameters. These material parameters, which model the interactions between aggregates in the DEM simulations are identified using two simple experiments on a Uranium diOxide powder: closed-die compaction and diametrical compression test. The yield and fracture surfaces obtained from the DEM simulations provide valuable information on the behavior of the powder for stress states that are difficult or impossible to attain in complex triaxial tests.

Published
2010

29. Experimental approach of UO2 compaction and analytical modelling of pellet diametric deformations

Author

Philippe Papet, Philippe Sornay, François Sudreau, Julien Fourcade, Laboratoire des Combustibles Uranium (LCU), Service d'Analyses, d'Elaboration, d'Expérientations et d'Examens des combustibles (SA3E), Département d'Etudes des Combustibles (DEC), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Département d'Etudes des Combustibles (DEC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Institut Charles Gerhardt Montpellier - Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux de Montpellier (ICGM ICMMM), Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier (ENSCM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Montpellier (UM)-Université Montpellier 1 (UM1)-Université Montpellier 2 - Sciences et Techniques (UM2)-Institut de Chimie du CNRS (INC), and Université Montpellier 1 (UM1)-Université Montpellier 2 - Sciences et Techniques (UM2)-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier (ENSCM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)

Subjects
010302 applied physics, Pressing, business.product_category, Materials science, Deformation (mechanics), Metals and Alloys, Compaction, 02 engineering and technology, Tribology, 021001 nanoscience & nanotechnology, Condensed Matter Physics, 01 natural sciences, Stress (mechanics), Mechanics of Materials, Powder metallurgy, 0103 physical sciences, Materials Chemistry, Ceramics and Composites, [PHYS.COND.CM-MS]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci], Die (manufacturing), Composite material, 0210 nano-technology, business, Porosity, ComputingMilieux_MISCELLANEOUS
Abstract

UO2 powder uniaxial compaction into cylindrical die was studied with a mechanical stress tester Instron, which is able to measure continuously the increase in density, the applied stress and the transmitted stress into both axial and radial direction. For this study, the authors used a spray dried UO2 powder obtained by a wet process, and pressing was performed by single acting compaction until 600 MPa. The relationship between compact density and applied pressure was analysed successively using Niesz's equation between 10 and 100 MPa and Heckel's equation between 100 and 600 MPa. Observations and porosity measurements on green compacts at various degrees of densification permitted to identify which powder particles act on the successive densification stages, previously identified as regimes of Niesz and Heckel for densification. Then, using Thompson's and Heckel's equations, the authors calculated the density distribution into the compact under pressure. Adding analytical equations to calculate s...

Published
2006

30. Influence de la polydispersité de forme et de taille sur un milieu granulaire

Author

Duc-Hanh Nguyen, Farhang Radjai, Emilien Azéma, Philippe Sornay, Physique et Mécanique des Milieux Granulaires (PMMG), Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC), Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire des Combustibles Uranium (LCU), Service d'Analyses, d'Elaboration, d'Expérientations et d'Examens des combustibles (SA3E), Département d'Etudes des Combustibles (DEC), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Département d'Etudes des Combustibles (DEC), and Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)

Subjects
[PHYS.MECA.MEMA]Physics [physics]/Mechanics [physics]/Mechanics of materials [physics.class-ph], [SPI.MECA.MEMA]Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Mechanics of materials [physics.class-ph], ComputingMilieux_MISCELLANEOUS
Abstract

National audience

31. Effect of shape non-convexity on behavior on granular media : 3D contact dynamics simulations

Author

Baptiste Saint-Cyr, Emilien Azéma, Jean-Yves Delenne, Farhang Radjai, Philippe Sornay, Physique et Mécanique des Milieux Granulaires ( PMMG ), Laboratoire de Mécanique et Génie Civil ( LMGC ), Université de Montpellier ( UM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Université de Montpellier ( UM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Université de Montpellier ( UM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Laboratoire des Combustibles Uranium ( LCU ), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives ( CEA ), Physique et Mécanique des Milieux Granulaires (PMMG), Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC), Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire des Combustibles Uranium (LCU), Service d'Analyses, d'Elaboration, d'Expérientations et d'Examens des combustibles (SA3E), Département d'Etudes des Combustibles (DEC), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Département d'Etudes des Combustibles (DEC), and Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)

Subjects
force transmis-sion, Granular Materials, [ SPI.MECA.MEMA ] Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Mechanics of materials [physics.class-ph], [SPI.MECA.MEMA]Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Mechanics of materials [physics.class-ph], [ SPI.MAT ] Engineering Sciences [physics]/Materials, non-convexity, particle shape, [SPI.MECA.MSMECA]Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Materials and structures in mechanics [physics.class-ph], [ SPI.MECA.MSMECA ] Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Materials and structures in mechanics [physics.class-ph], texture, [SPI.MAT]Engineering Sciences [physics]/Materials
Abstract

International audience; We analyze the effect of particle shape non-convexity on the quasi-static behavior of granular materials by means of contact dynamics simulations. The particles are regular aggregates of four overlapping spheres described by a nonconvexity parameter depending on the relative positions of the particles. Several packings are first submitted to isotropic compression without friction. We find that, as in 2D, the solid fraction of isotropic packings increases with non-convexity up to a maximum value and then declines to be nearly equal to that of a packing composed of only spheres. It is also remarkable that the coordination number increases quickly and saturates so that the packings composed of grains with a high level of nonconvexity are looser but more strongly connected. Then, the quasi-static behavior, structural and force anisotropies are analyzed by subjecting each packing to a triaxial compression. We find that the shear strength increases with non-convexity. We show that this increase results from the presence of multiple contacts between trimers leading to enhanced frictional interlocking.

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

Author

Orozco, Luisa, Physique et Mécanique des Milieux Divisés (PMMD), Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC), Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Montpellier, Farhang Radjaï, Jean-Yves Delenne, Philippe Sornay, Université de Montpellier, and Farhang Radjai

Subjects
Dynamique des contacts, broyeurs à boulets, Granular materials, tambour tournant, Scale-Up, Matériaux granulaires, Dem, Mise à l’èchelle, [SPI.MECA]Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph], grinding, Breakage, [PHYS.MECA.MEMA]Physics [physics]/Mechanics [physics]/Mechanics of materials [physics.class-ph], [SPI.GCIV]Engineering Sciences [physics]/Civil Engineering, rotating drums, Matériaux granulaires, Fragmentation, [PHYS.MECA.SOLID]Physics [physics]/Mechanics [physics]/Solid mechanics [physics.class-ph], Broyage, rhéologie, Rotating drum, [SPI.GPROC]Engineering Sciences [physics]/Chemical and Process Engineering, Ball mills, changement d’échelle, Broyeurs à boulets
Abstract

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 two dimensionless parameters for the scale-up of flow characteristics and particle breakage in rotating drums.; 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 particules 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 fragmentation 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 de deux paramètres sans dimension qui peut être utilisé pour la mise à l’échelle des écoulements et de la fragmentation des particules dans les tambours tournants et les broyeurs à boulets.

Published
2019

33. Suivi par émission acoustique de la compaction de particules fragiles d'UO2

Author

Hégron, Lise, Laboratoire des Combustibles Uranium (LCU), Service d'Analyses, d'Elaboration, d'Expérientations et d'Examens des combustibles (SA3E), Département d'Etudes des Combustibles (DEC), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Département d'Etudes des Combustibles (DEC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), MISTRAL-Lab, Aix-Marseille Université, Nathalie Favretto-Cristini, Philippe Sornay (encadrant), and PROVITINA, Olivier

Subjects
[SPI.ACOU]Engineering Sciences [physics]/Acoustics [physics.class-ph], [SPI.ACOU] Engineering Sciences [physics]/Acoustics [physics.class-ph], granular packing, microstructure, Emission acoustique, uranium dioxide, tensile strength test, porosité ouverte, [SPI.MAT] Engineering Sciences [physics]/Materials, open porosity, [SPI.MECA.GEME]Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Mechanical engineering [physics.class-ph], [SPI.MAT]Engineering Sciences [physics]/Materials, Acoustic emission, cohesion, cohésion, empilement granulaire, fragmentation, compaction, [SPI.MECA.GEME] Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Mechanical engineering [physics.class-ph], essai brésilien, dioxyde d'uranium
Abstract

One option under consideration for the recycling of minor actinides is to incorporate about 10% into a UO2 matrix. The presence of interconnected open pores in this fuel should allow helium and fission gases to be The presence of interconnected open pores within this fuel should allow helium and fission gases to be evacuated to prevent the pellet from swelling and ultimately its interaction with the surrounding cladding. The use of minor actinides to work in a shielded cell, to minimise their retention and to prohibit the addition of organic products. The use of fragmentable particles of a few hundred micrometres appears to be an interesting solution for controlling the microstructure of raw tablets and thus control the open porosity after sintering., Une option à l’étude pour le recyclage des actinides mineurs consiste à en incorporer environ 10% à une matrice d’UO2. La présence de pores ouverts interconnectés au sein de ce combustible devrait permettre d’évacuer l’hélium et les gaz de fission pour prévenir le gonflement de la pastille et in fine son interaction avec la gaine qui l’entoure. La mise en oeuvre des actinides mineurs oblige à travailler en cellule blindée, à minimiser leur rétention et à proscrire les ajouts de produits organiques. L’emploi de particules fragmentables de quelques centaines de micromètres paraît une solution intéressante pour contrôler la microstructure des comprimés crus et ainsi maîtriser la porosité ouverte après frittage.L’étude consiste à suivre par émission acoustique la compaction de particules fragiles d’UO2 et à relier leurs caractéristiques à la porosité ouverte obtenue après frittage des compacts.Le signal acquis lors d’essais de cisaillement sur des granulés individuels et sur des compacts montre que l’émission acoustique autorise la détection de la fragmentation et permet l’identification d’une forme d’onde caractéristique. Les influences de la contrainte de compaction, de la distribution granulométrique initiale et de la cohésion interne des granulés, sur la tenue mécanique des compacts et sur la microstructure des frittés, en particulier sur la porosité ouverte sont analysées.Moyennant quelques précautions, l’émission acoustique, par sa capacité à déterminer le domaine de fragmentation des granulés pendant la mise en forme, paraît une technique prometteuse pour suivre la compaction de particules fragiles en vue de la fabrication de combustibles à porosité maîtrisée.

Published
2014

Catalog

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