Continuous-discrete numerical modeling of the thermomechanical behavior of granular media supported by experimental campaign

Abstract

(English) Granular materials, ranging from soils and food grains to construction aggregates and pharmaceutical powders, are prevalent in both natural and industrial contexts. Their complex physical behavior, which can exhibit both solid- and fluid-like properties depending on several external and internal factors, arises from their discrete composition, characterized by intricate particle interactions. This complexity is further amplified by thermal effects, which explains the current gaps in achieving a comprehensive understanding of the thermomechanics of granular matter. This thesis explores the thermomechanical behavior of granular media from different perspectives, including numerical and experimental analyses. In particular, two key thermal effects are addressed throughout the research, namely, heat generation from mechanical energy dissipation and thermal expansion in confined systems. In the physical experiments, the heat generation phenomenon is studied for granular mixing operations using two widely-used industrial devices: a rotating drum and a bladed mixer. In both setups, the temperature rise of granular flows is measured under varying operational conditions. Regarding numerical investigations, two approaches are developed. An efficient Discrete Element Method (DEM) framework is used to investigate heat generation mechanisms and provide insights into the thermomechanical behavior of granular flows. Additionally, a novel multiscale numerical framework is developed, coupling continuous and discrete methods through a machine-learning-based surrogate model, to efficiently simulate thermal expansion in confined granular media. In both strategies, the underlying objective is to reduce the high computational cost of simulating granular media, allowing for large-scale analyses in terms of both time and space.

(Català) Els materials granulars, que van des dels sòls i els grans alimentaris fins als àrids de construcció i les pólvores farmacèutiques, són presents tant en contextos naturals com industrials. El seu comportament físic complex, que pot mostrar tant propietats sòlides com líquides segons diversos factors externs i interns, sorgeix de la seva composició discreta, caracteritzada per les interaccions intrincades entre les partícules. Aquesta complexitat es veu amplificada pels efectes tèrmics, fet que explica les llacunes actuals en l’assoliment d’una comprensió completa de la termomecànica dels materials granulars. Aquesta tesi explora el comportament termo-mecànic dels mitjans granulars des de diferents perspectives, incloent-hi anàlisis numèriques i experimentals. En particular, es tracten dos efectes tèrmics clau al llarg de la investigació: la generació de calor a partir de la dissipació d’energia mecànica i l’expansió tèrmica en sistemes confinats. En els experiments físics, el fenomen de la generació de calor es va estudiar per a operacions de mescla granular utilitzant dos dispositius industrials àmpliament utilitzats: un tambor rotatiu i una mescladora amb pales. En ambdues configuracions, es va mesurar l’augment de temperatura dels fluxos granulars sota diferents condicions operatives. Pel que fa a les investigacions numèriques, es van desenvolupar dues aproximacions. Un marc eficient del Mètode dels Elements Discrets (DEM) es va utilitzar per investigar els mecanismes de generació de calor i proporcionar informació sobre el comportament termomecànic dels fluxos granulars. A més, es va desenvolupar un nou marc numèric multiescala, que combina mètodes continus i discrets mitjançant un model substitut basat en l’aprenentatge automàtic, per simular eficientment l’expansió tèrmica en mitjans granulars confinats. En ambdues estratègies, l’objectiu subjacent és reduir l’alt cost computacional de la simulació de mitjans granulars, permetent anàlisis a gran escala tant en termes de temps com d’espai.

(Español) Los materiales granulares, que abarcan desde suelos y granos alimenticios hasta agregados de construcción y polvos farmacéuticos, son comunes tanto en contextos naturales como industriales. Su complejo comportamiento físico, que puede exhibir tanto propiedades de sólido como de fluido, dependiendo de varios factores externos e internos, surge de su composición discreta, caracterizada por interacciones intrincadas entre partículas. Esta complejidad se ve amplificada por los efectos térmicos, lo que explica las lagunas actuales en la comprensión exhaustiva de la termomecánica de los materiales granulares. Esta tesis explora el comportamiento termomecánico de los medios granulares desde diferentes perspectivas, tanto numéricas como experimentales. En particular, a lo largo de la investigación se abordan dos efectos térmicos clave: la generación de calor a partir de la disipación de energía mecánica y la expansión térmica en sistemas confinados. En los experimentos físicos, el fenómeno de generación de calor se estudia para operaciones de mezcla granular utilizando dos dispositivos industriales ampliamente utilizados: un tambor rotatorio y un mezclador de palas. En ambos dispositivos, se mide el aumento de temperatura de los flujos granulares bajo diversas condiciones operativas. En cuanto a las investigaciones numéricas, se desarrollan dos enfoques. Se utiliza un marco eficiente del Método de Elementos Discretos (DEM) para investigar los mecanismos de generación de calor y proporcionar conocimientos sobre el comportamiento termomecánico de los flujos granulares. Además, se desarrolla un novedoso marco numérico multiescala, que acopla métodos continuos y discretos a través de un modelo de sustitución basado en aprendizaje automático, para simular de manera eficiente la expansión térmica en medios granulares confinados. En ambas estrategias, el objetivo subyacente es reducir el alto costo computacional de la simulación de medios granulares, permitiendo análisis a gran escala tanto en términos de tiempo como de espacio.