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

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

Luisa Orozco (1)

1 PMMD - Physique et Mécanique des Milieux Divisés

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.

Mots clés: Granular materials; fragmentation; grinding; rotating drums; DEM; ball mills; scale-up

Mots clés: Matériaux granulaires; rhéologie; fragmentation; tambour tournant; DEM; broyeurs à boulets; changement d’échelle

Domaines: Mécanique des matériaux [physics.class-ph]; Mécanique des solides [physics.class-ph]; Génie des procédés; Génie civil

Luisa Orozco. Numerical modeling and rheology of crushable granular flows: application to ball mills. Mechanics of materials [physics.class-ph]. Université de Montpellier, 2019. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02917432⟩