Modelling in DEM of thermo-elastic and thermo-hydric couplings and thermal-induced damage in continuous media;Modélisation par la MED des couplages thermo-élastique et thermo-hydrique, et de l'endommagement induit par effet thermique dans les milieux continus

The thesis work is carried out in the frame of CUBISM project - Development of humidity and pressure sensors to monitor the drying of refractory materials, which is part of the cooperation program INTERREG V France-Wallonie-Vlaanderen.

Drying refractory materials is one of the most delicate steps in the first heating of an installation.

When the temperature rises, the water added to the initial mixture can be transformed into vapor and lead to an increase in pressure in the material.

If this pressure becomes greater than the mechanical resistance, cracks or even an explosion in the lining of the plant can appear.

Until now, no control system is available to guarantee the integrity of the refractory during the start-up of the installation, and later in service.

The objective of the CUBISM project is to provide integrated humidity and pressure sensors in the material for efficient monitoring of the implementation cycle.

The pressure sensors developed will be type of Surface Acoustic Wave (SAW sensor) on a porous piezoelectric substrate.

Under pressure, the substrate may undergo mechanical deformation and modify the wave-path.

The aim will be to study numerically the influence of internal gas pressure on the mechanical behavior of a porous material according to the architecture (pore size and distribution, etc.).

Initially, attention will be paid to the study of the mechanical behavior of the material, the prediction of damage and the vibration response of the material under solicitations.

In this first phase of study, the Phd student will be asked to take over tools for the design of Representative Volume Element (RVE), namely geometric patterns representative of the material and its micro-structure, and to be modeled by discrete approach.

In a second phase, the work will be extended to the framework of a multi-physical behavior of the thermo-hydro-mechanical type where the Phd student will, after a bibliographic study, provide coupling solutions adapted to the conditions under consideration (temperatures rising to nearly 500°C and pressure exceeding 60 bar).

It will also develop its own routines within the multiCAMG code dedicated to modeling environments with complex microstructures, and within the MULTICOR code dedicated to discrete element modeling ; Le travail de thèse est réalisé dans le cadre du projet de recherche CUBISM - Développement de capteurs d'humidité et de pression pour suivre le séchage de matériaux réfractaires, qui s'inscrit dans le programme de coopération transfrontalière INTERREG V France-Wallonie-Vlaanderen.

Le séchage des matériaux réfractaires est une des étapes les plus délicates lors de la première chauffe d'une installation.

En effet, lors de la montée en température, l'eau ajoutée au mélange initial peut se transformer en vapeur et engendrer une augmentation de pression dans le matériau.

Si cette pression devient supérieure à la résistance mécanique, on peut voir apparaître des fissures voire une explosion du garnissage des installations.

À ce jour, aucun système de contrôle n'est disponible pour garantir l'intégrité du réfractaire durant la mise en route de l'installation, et plus tard en service.

L'objectif du projet CUBISM est de proposer des capteurs d'humidité et de pression intégrés dans le matériau, pour un monitoring efficace du cycle de mise en œuvre.

Les capteurs de pression développés seront de type ultrasonore, exploitant la propagation d'ondes de surface (capteur SAW) sur un substrat poreux piézoélectrique.

Sous l'action de la pression, le substrat pourra subir une déformation mécanique et modifier le parcours de l’onde.

Il s'agira d'étudier numériquement l'influence de la pression de gaz interne sur le comportement mécanique d'un matériau poreux en fonction de l'architecture (taille et distribution des pores,…).

On s'intéressera dans un premier temps à l'étude du comportement mécanique du matériau, à la prédiction de l'endommagement et à la réponse vibratoire du matériau sous sollicitations.

Dans cette première phase d'étude, le doctorant sera amené à reprendre des outils de conception de Volumes Élémentaires Représentatifs (VER), à savoir des motifs géométriques représentatifs du matériau et de sa microstructure, et à modéliser par des éléments discrets.

Dans un second temps, le travail s'élargira au cadre d'un comportement multi-physique de type thermo-hydro-mécanique où le doctorant devra, après étude bibliographique approfondie, apporter des solutions de couplage adaptées aux conditions considérées (températures montant à près de 500°C et pression dépassant les 60 bars).

Il sera également amené à développer ses propres routines au sein du code multiCAMG dédié à la modélisation de milieux à microstructures complexes, et au sein du code MULTICOR dédié à la modélisation par éléments discrets