Modélisation de l’endommagement et de la rupture de microcapsules en écoulement - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Modeling of the damage and of the rupture of microcapsules in flow

Modélisation de l’endommagement et de la rupture de microcapsules en écoulement

Nicolas Grandmaison
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1156384
  • IdRef : 263810267

Résumé

Capsules, composed of a droplet surrounded by a thin elastic membrane, have a high potential of applications to control the release of a substance. One limitation is the absence of models of the rupture of capsules in flow. During the thesis, a fluid-structure interaction numerical model was developed for a capsule under Stokes flow, taking into account the damage of the membrane until the initiation of a crack. It couples the boundary integral method, to solve for the fluid flows, and the finite element method, to solve for the membrane deformation. The framework of continuum damage mechanics was chosen to model the membrane. Damage was studied for a spherical capsule in a simple shear flow with a quasi-brittle damage model of the membrane. The influence of the force of the flow and the conditions of initiation of rupture were studied, and the parameters of the model identified from experimental results. A second damage model was proposed to describe another mode of rupture observed experimentally in this flow. In the last section, the model was extended to have a better description of the ultimate phase of damage preceding the emergence of a crack, when damage concentrates in bands of small thickness (localization zones). We placed ourselves in the framework of the strong discontinuity approach, and we considered the localization zones as cohesive interfaces. This work is a decisive first step to model the rupture of capsules in flow.
Les capsules, composées d'une goutte entourée d'une fine membrane élastique, ont un fort potentiel d'applications pour contrôler le relargage d'une substance. Une limitation est qu'on ne dispose pas de modèle de la rupture des capsules en écoulement. Pendant la thèse, un modèle numérique d’interaction fluide-structure a été développé pour une capsule sous écoulement de Stokes, en tenant compte de I’endommagement de la membrane jusqu’à l'initiation d'une fissure. Il couple la méthode des intégrales de frontière, pour résoudre les écoulements des fluides, et la méthode des éléments finis, pour calculer la déformation de la membrane. Le cadre de la mécanique de l'endommagement continu a été retenu pour modéliser la membrane. L'endommagement a été étudié pour une capsule sphérique dans un écoulement de cisaillement simple avec un modèle d'endommagement quasi-fragile de la membrane. L’influence de la force de l’écoulement et les conditions d'initiation de la rupture ont été étudiées, et les paramètres du modèle identifiés à partir de résultats expérimentaux. Un second modèle d'endommagement a été proposé pour décrire un autre mode de rupture observé expérimentalement dans cet écoulement. Dans une dernière partie, on a étendu le modèle afin de mieux décrire la phase ultime d'endommagement précédant l'apparition d'une fissure, lorsque l’endommagement se concentre dans des bandes de faible épaisseur (zones de localisation). On s'est placé pour cela dans le cadre de l'approche des discontinuités fortes, et on a considéré les zones de localisation comme des interfaces cohésives. Ces travaux sont une première étape décisive pour modéliser la rupture des capsules en écoulement.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03752283 , version 1 (16-08-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03752283 , version 1

Citer

Nicolas Grandmaison. Modélisation de l’endommagement et de la rupture de microcapsules en écoulement. Biomécanique [physics.med-ph]. Université de Technologie de Compiègne, 2021. Français. ⟨NNT : 2021COMP2657⟩. ⟨tel-03752283⟩
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