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Rhéologie des suspensions de particules ellipsoïdales : expériences, modèles et simulations numériques

Gilles Ausias

à 11h en salle C. Brot

Fluides contenant des particules, les suspensions ont des comportements rhéologiques complexes. Les interactions fluide-particules, les interactions particules-particules, le mouvement et la rotation des particules qui modifient profondément le comportement du fluide sont des phénomènes physiques difficiles à observer, mesurer et modéliser. Les travaux expérimentaux portent sur la caractérisation du comportement rhéologique de suspensions modèles et de composites industriels. Ils sont réalisés à l’aide de rhéomètres de laboratoire et d’un rhéomètre en ligne, dans des phases de démarrage, en régime continu et en sollicitation dynamique. Les composites industriels sont constitués d’une matrice de polypropylène et de différents type de renforts : fibres de verre longues, fibres de verre courtes et de particules nanométriques de montmorillonite. Toutes ces suspensions ont été étudiées pour différentes fractions volumiques de particules. Ce paramètre est important car les phénomènes physiques mis en jeu n’ont pas les mêmes effets suivant que l’on se trouve en présence d’une suspension diluée, semi-diluée ou concentrée en particules. La simulation directe modélise l’écoulement sous cisaillement simple de suspensions concentrées de fibres courtes. Elle prend en compte les interactions entre fibres à courtes distances via des forces de lubrification hydrodynamique, les forces de contact entre fibres et les forces hydrodynamiques qu’exerce le fluide sur les fibres. En s’appuyant sur les modèles existants pour les suspensions diluées, un nouveau modèle rhéologique est développé en prenant en compte les interactions entre particules présentes dans les suspensions non-diluées. Les équations proposées pour décrire l’interaction entre deux fibres dans la simulation directe ont servi de point de départ. Elles ont été moyennées à l’intérieur d’un volume élémentaire représentatif pour donner une loi de comportement macroscopique décrivant le comportement de la suspension. De nouveaux tenseurs, appelés tenseurs d’interaction, apparaissent dans ce modèle. Ils donnent des informations sur l’état moyen des interactions dans la suspension. Ce modèle a été comparé aux résultats expérimentaux avec succès.

Mots-clés

Fluides & Matériaux Complexes