Description du sujet de thèse

Les matières végétales sont utilisée dans divers secteurs tels que l'alimentation, la pharmacie, la chimie, la construction et la bioraffinerie [Mayer-Laigle, 2018]. Néanmoins, les résidus de l’utilisation des plantes, représentant une ressource en matière carbonée, souvent relégués à des applications de faible valeur. Pour utiliser ces matières dans des applications à forte valeur ajoutée, une compréhension approfondie des processus de broyage et de séparation des résidus végétaux est nécessaire. Prédire les distributions de taille et la consommation d'énergie lors des opérations de comminution pose des défis scientifiques significatifs. En effet, il faut tenir compte de la compositions et des structures histologiques des tissus végétaux, ainsi que de la physique complexe du broyage, y compris le comportement de particules fragmentables dans des écoulements [Nguyen, 2015; Orozco, 2015].

L'objectif de ce projet de thèse est de développer une approche multi-échelle englobant au moins trois niveaux : 1) la cellule et le tissu végétal, 2) la particule de résidu de plante, et 3) la poudre de résidu végétal (échelle du procédé). La mécanique classique de la fracture, bien qu'efficace pour les matériaux homogènes, ne traite pas adéquatement la complexité des milieux hétérogènes [Anderson, 2017; Blanc, 2021]. La distribution statistique et les gradients de propriétés mécaniques jouent un rôle critique ; les micro-fissures se formant dans les phases les plus faibles (vides, parois cellulaires, interfaces) et coalesçant en macro-fissures [Smith, 2003; Mulla, 2021]. Au niveau du tissu, des paramètres tels que la forme des cellules et l'adhésion entre les parois cellulaires contrôlent la propagation des fissures à l'intérieur et/ou à travers les cellules, influençant l'énergie de fracture et la résistance des particules. Ces particules subissent une fragmentation progressive en raison des contraintes mécaniques exercées par leurs voisines pendant le broyage, résultant en une microstructure granulaire hautement désordonnée [Nguyen, 2015].

Les interactions mécaniques et physico-chimiques au niveau des constituants seront modélisées ainsi que la dissociation intercellulaire. Ceci permettra de développer des lois de fracture applicables à des particules uniques. Ces lois seront validées expérimentalement et intégrées dans des simulations dynamiques comportant un grand nombre de particules à l'échelle du procédé. L'histologie des résidus végétaux sélectionnés sera analysée à l'aide de divers systèmes d'imagerie adaptés, et des expériences de nano-indentation pourront fournir des propriétés mécaniques des composants tissulaires [Chichi, 2013]. Des tests de traction simples sur des échantillons de tissus végétaux seront effectués pour analyser la propagation des fissures et les déformations. Ces tests permettront de paramétrer des simulations de type peridynamique [Frank, 2020].

Pour la validation, des simulations de traction d'échantillons entaillés seront comparées aux données expérimentales de propagation des fissures. Un modèle de fragmentation des particules, tenant compte de la structure cellulaire et des propriétés mécaniques, sera développé pour les simulations de comminution en utilisant la méthode des éléments discrets (DEM) [Orozco, 2020a]. Ce modèle présentera des particules avec une texture interne générée par une méthode de tessellation, avec des propriétés mécaniques portées par des liaisons inter-éléments et intra-éléments. La calibration de la structure et des propriétés des liaisons impliquera des simulations de broyage de particules uniques et des comparaisons avec les données expérimentales.

Mots clés
Modélisation multi-échelle, Comminution, Structure cellulaire, Matériaux granulaires, Fracture, Peridynamique, Méthode des éléments discrets, AFM

Références
[Anderson, 2017] Anderson, T. L. (2017). Fracture mechanics: fundamentals and applica;ons. CRC press.
[Blanc, 2021] Blanc, N., Frank, X., Radjai, F., Mayer-Laigle, C., & Delenne, J. Y. (2021). Breakage of flawed par;cles by peridynamic simula;ons. Computa;onal Par;cle Mechanics, 8(5), 1019- 1031.
[Chich;, 2013] Chich;, E., George, M., Delenne, J. Y., Radjai, F., & Lullien-Pellerin, V. (2013). Nano- mechanical proper;es of starch and gluten biopolymers from atomic force microscopy. European polymer journal, 49(12), 3788-3795.
[Frank, 2020] Frank, X., Radjai, F., Nezamabadi, S. & Delenne, J.-Y. (2020). Tensile strength of granular aggregates: Stress chains across par;cle phase versus stress concentra;on by pores. Physical Review E, 102(2).
[Mayer-Laigle, 2018a] Mayer-Laigle, C., Blanc, N., Rajaonarivony, R. K. & Rouau, X. (2018). Comminu;on of dry lignocellulosic biomass, a review: part I. From fundamental mechanisms to milling behaviour. Bioengineering, 5(2), 41.
[Smith, 2003] Smith, I., Landis, E., & Gong, M. (2003). Fracture and fa;gue in wood. John Wiley & Sons.
[Mulla, 2021] Mulla, T., Moeini, S., Ioannidou, K., Pellenq, R. M., & Ulm, F. J. (2021). Phase diagram of briKle fracture in the semi-grand-canonical ensemble. Physical Review E, 103(1), 013003.
[Nguyen, 2015] Nguyen, D. H., Azéma, E., Sornay, P., & Radjai, F. (2015). Bonded-cell model for par;cle fracture. Physical Review E, 91(2), 022203.
[Orozco, 2020a] L. F. Orozco, J.-Y. Delenne, P. Sornay, F. Radjai (2020), Scaling behavior of par;cle breakage in granular flows inside rota;ng drums, Phys. Rev. E 101, 052904.
[Orozco, 2020b] Orozco, L. F., Nguyen, D. H., Delenne, J. Y., Sornay, P., & Radjai, F. (2020). Discrete-element simula;ons of comminu;on in rota;ng drums: Effects of grinding media. Powder Technology, 362, 157-167.

Contexte de travail

Cette thèse, financée par un projet ANR, sera menée en collaboration entre les équipes de recherche PMMD (Physique et Mécanique des Milieux Discrets) au LMGC (Laboratoire de Mécanique et Génie Civil) et PhyProDiv au laboratoire IATE (Ingénierie des Agropolymères et Technologies Emergentes) de l'INRAE à Montpellier, France. La collaboration avec le laboratoire 3SR (Sols, Solides, Structures, Risques) à Grenoble fournira également un soutien numérique et expérimental pour ce travail. Les candidats doivent posséder une solide formation en physique ou en mécanique, avec une expérience et un intérêt marqués pour la modélisation et la simulation numériques.

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.

Contraintes et risques

Aucune contrainte ou de risques connus.