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Accueil du site > Recherche > Projets > Thème Fluides & Matériaux Complexes > Rhéologie des suspensions et migration

Rhéologie des suspensions et migration

- Porteur : Lemaire Élisabeth

- Collaborateurs LPMC : Lobry Laurent, Peters François

- Collaborateurs extérieurs : Mukhalled Fadl (Université Américaine de Beyrouth, Liban), Dbouk Talib (IRSN)

- Plateformes technologiques : Centre de micro & nanorhéométrie

- Description :

Lorsqu’une suspension concentrée de particules non colloïdales (taille supérieure à quelques microns) est en écoulement, il est fréquent d’observer que la concentration en particules ne reste pas homogène mais que les particules migrent vers des régions préférentielles de l’écoulement. Globalement, il existe deux modèles pour décrire cette migration de particules. Le premier est assez phénoménologique et repose sur l’étude des collisions qui surviennent entre les particules en écoulement. Il donne lieu à une description de la migration en termes de diffusion des particules et permet de prédire les lois d’échelle des gradients de concentration en fonction des paramètres du système tels que la fraction volumique de particules, leur taille ou le taux de cisaillement dans la suspension. Cependant, ce modèle introduit un certain nombre de coefficients numériques qui ne peuvent être déterminés qu’expérimentalement. Le second modèle fait appel à l’action des contraintes normales engendrées par l’écoulement et plus précisément à l’action des contraintes normales d’origine particulaire. Contrairement au premier, ce modèle est susceptible de conduire à des prédictions quantitatives de la migration mais il faut pour cela connaître avec précision les contraintes normales (et leurs parts particulaires) induites par un écoulement dans une suspension, ce qui n’est pour l’instant pas le cas. Il est ainsi difficile de comparer les prédictions apportées par ce modèle aux observations expérimentales de la migration. Nous tentons ainsi d’évaluer la validité respective de ces deux modèles qui, chacun de façon différente, s’appuient sur les interactions entre particules pour rendre compte du phénomène macroscopique de migration.

Pour cela, nous tentons de mesurer directement les coefficients de diffusion hydrodynamique des particules d’une suspension sous cisaillement homogène en suivant l’évolution temporelle du profil de concentration d’une suspension initialement inhomogène. Une expérience consistant à appliquer un cisaillement sinusoïdal à une suspension contenue entre deux plans parallèles a d’ors et déjà mis en évidence le caractère diffusif du mouvement collectif des particules et a permis de montrer que la diffusion collective était environ deux fois moins rapide dans la direction de la vorticité que dans la direction de la vitesse La poursuite de cette expérience nous permettra une étude exhaustive des coefficients de diffusion hydrodynamique en écoulement oscillant, de leur anisotropie, de leur dépendance en fonction de la fraction volumique de particules et des interactions qu’elles exercent entre elles. Ces interactions pourront être de type colloïdal (interactions électrostatiques ou stériques) ou frictionnel. L’impact des forces de contact sur la diffusion des particules sera mis en évidence en modifiant leur état de surface soit par greffage de nano-particules soit par abrasion mécanique.

Les contraintes normales sont quant à elles mesurées grâce à une expérience de rhéométrie torsionnelle plan-plan. Le plan immobile est équipé d’un réseau de capteurs qui permettent de mesurer la contrainte normale dans la direction du gradient de vitesse, Σzz. La résolution de l’équation du mouvement (équation de Stokes avec contraintes normales) montre que les deux différences de contraintes normales peuvent être déduites de la variation radiale de Σzz. D’autres capteurs sont séparés de la suspension par une grille qui empêche les particules de passer. Nous mesurons ainsi la pression dans le liquide interstitiel. En ayant recours à une description diphasique de la suspension, les contraintes normales d’origine particulaire sont obtenues en soustrayant la pression interstitielle aux contraintes normales totales. Nous projetons également de caractériser la réponse transitoire dune suspension soumise à un échelon de contrainte. En effet l’apparition de contraintes normales dans les suspensions cisaillées est la conséquence directe de la structuration induite par l’écoulement. Ainsi, l’étude des contraintes normales transitoires devrait nous apporter des renseignements précieux sur l’établissement de la microstructure (voir projet Rhéologie locale des suspensions concentrées).

Mots-clés

Fluides & Matériaux Complexes, Rhéologie des Suspensions