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Soutenance de Thèse de Doctorat, Université Paris 7 Abdoulaye FALL ECOULEMENT et BLOCAGE de SUSPENSIONS CONCENTREES Sous la direction de Daniel BonnLPS-ENS.

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1 Soutenance de Thèse de Doctorat, Université Paris 7 Abdoulaye FALL ECOULEMENT et BLOCAGE de SUSPENSIONS CONCENTREES Sous la direction de Daniel BonnLPS-ENS Co-encadrant: Guillaume Ovarlez LMSGC

2 Les fluides complexes

3 Suspensions colloïdales: Suspensions non colloïdales de sphères dures: Origines physiques: Seuil: Contacts directs frictionnels Mise en place du seuil? Huang et al. (2005) Forces de répulsion, Forces dattraction, (Born, Osmotique…) (Van der Waals..) Formation dun fort réseau dinteraction Ancey et Coussot (1999) Apparition du seuil: transition visqueux/frictionnel Seuil découlement Lootens et al. (2002)

4 Suspensions colloïdales:Suspensions non colloïdales de sphères dures: Le Rhéoépaississement Wagner (2003)

5 Mécanismes: Transition ordre – désordre Percolation de clusters hydrodynamiques Forces hydrodynamiques ? Origine: Hoffman (1972) Brady; Morris; Bossis; Wagner, Cates Suspensions colloïdales:Suspensions non colloïdales de sphères dures: Le Rhéoépaississement

6 PLAN Etude dune suspension de Maïzéna Etude dune suspension modèle: billes de Polystyrène Rhéoépaississement Mise en place du Seuil

7 PLAN Etude dune suspension de Maïzéna Etude dune suspension modèle: billes de Polystyrène Rhéoépaississement Mise en place du Seuil

8 Quelques éléments de rhéologie Contrainte: Taux de cisaillement: Viscosité: Contrainte Normale: FtFt x y V

9 Plan-Plan Protocole - Géométrie Suspension à 0.44 Comportement global de la maïzéna Grains de maïzéna

10 Mesures locales: IRM Moteur à vitesse contrôlée : 0.01 à 100 tour/min Profils mesurés dans lentrefer au sein de léchantillon Tranche de mesure: 4 cm hauteur, 1 cm largeur Résolution radiale : 0.6 – 1.3 mm. Mesure des Profils de vitesse V(R) durant 2 s minimum. Mesure des Profils de Concentration φ(R) (2 min 30 s: Moyennage de 32 à 128 configurations) (Couette, R i = 4.2 cm, Entrefer = 1.8 cm) Avec François Bertrand

11 Cylindre intérieur Cylindre extérieur Profils de vitesse: localisation Seuil découlement Avant le rhéoépaississement 2 HR 2 c

12 Loi découlement locale Loi de Puissance tronquée Jamming Le Rhéoépaississement apparaît à la fin de la localisation

13 Jamming Le Rhéoépaississement apparaît à la fin de la localisation Profils de concentration Cylindre intérieur Cylindre extérieur Pas de Migration avant létablissement du rhéoépaississement Loi découlement locale

14 Mécanisme ? Localisation Rôle de la zone morte Zone morte: au repos

15 Protocole - Géométrie Rôle du Réservoir

16 Protocole - Géométrie Rôle du Réservoir Surplus Amortisseur + Retardateur

17 Protocole - Géométrie Effet du confinement Entrefer variable

18 Protocole - Géométrie Surplus Effet du confinement

19 Dilatance? Poussée Contraintes Normales (N 1 )

20 F n = 0 Entrefer = paramètre libre Protocole - Géométrie Dilatation libre

21 F n = 0 Variation de lentrefer Protocole - Géométrie Dilatation libre

22 Protocole - Géométrie Rhéoépaississement Dilatance de Reynolds Réservoir de Dilatance Mécanisme

23 PLAN Etude dune suspension de Maïzéna Etude dune suspension Modèle: billes de Polystyrène Rhéoépaississement Mise en place du SeuilRhéoépaississement

24 Système modèle Micro – billes de Polystyrène : Solution dIodure de Sodium : Suspension iso-denses Particules lisses hydrophobes (Ajout de quelques gouttes de tensioactif)

25 Suspensions à φ= 0.6 Constante (150 secondes) = 0.00 g/cm 3 Couette – IRM Cylindre intérieur Cylindre extérieur Protocole - Géométrie Apport de lIRM Billes 40 m Pas de Localisation Pas de Seuil

26 Suspensions à φ= 0.6 Constante (150 secondes) = 0.00 g/cm 3 Protocole - Géométrie Apport de lIRM Billes 40 m Cylindre intérieur Cylindre extérieur Localisation Couette – IRM Rhéoépaississement Localisation

27 Profils de Concentration: R Suspensions à φ= 0.6 Constante (150 secondes) Couette – IRM = 0.00 g/cm 3 Cylindre intérieur Cylindre extérieur Protocole - Géométrie Migration Rhéoépaississement ? Apport de lIRM Billes 40 m

28 Montée - descente Protocole - Géométrie Blocage Géométrie de Couette Migration - Rhéoépaississement

29 Géométrie de Couette: Lois locales

30 Migration - Rhéoépaississement Géométrie de Couette: Lois locales

31 Migration - Rhéoépaississement Géométrie de Couette: Lois locales

32 Migration - Rhéoépaississement Géométrie de Couette: Lois locales

33 Migration blocage local Migration - Rhéoépaississement Géométrie de Couette: Lois locales

34 PLAN Etude dune suspension de Maïzéna Etude dune suspension modèle: billes de Polystyrène Rhéoépaississement Mise en place du Seuil

35 Système modèle Micro – billes de Polystyrène : Solution dIodure de Sodium : Effet du Contraste de densité Particules lisses hydrophobes (Ajout de quelques gouttes de tensioactif)

36 Gravité : source de confinement Protocole - Géométrie Suspensions à φ= 0.6 Constante (300 secondes) Écoulement permanent: Pas de seuil Billes 40 m

37 Gravité : source de confinement Protocole - Géométrie Suspensions à φ= 0.6 Constante (300 secondes) Billes 40 m

38 Gravité : source de confinement Protocole - Géométrie Suspensions à φ= 0.6 Constante (300 secondes) Billes 40 m

39 Contraste de densité : Bifurcation de viscosité : Arrêt de lécoulement Gravité : source de confinement Protocole - Géométrie Suspensions à φ= 0.6 Constante (300 secondes) Billes 40 m

40 Gravité : source de confinement Protocole - Géométrie Constante Suspensions à φ= 0.6 = 0.25 g.cm 3 Billes 40 m

41 Crémage – Consolidation Contacts

42 Validation par IRM Suspensions à φ= 0.6 Billes 40 m Constante (150 secondes) Profils de vitesse : localisation ? Couette – IRM = 0.15 = 0.00 Pas de localisation Pas de Seuil Localisation Seuil

43 Deux Mécanismes différents de blocage Faible cisaillement: Fort cisaillement Rhéoépaississement blocage Migration instantanée Localisation Lubrification Friction (Macro) Critère: Consolidation Conclusion Localisation: Critère: Dilatance

44 Remerciements Institut Navier Philipe Coussot, François Bertrand, Stéphane Rodts et Anaël Lemaître Laboratoire de Physique Statistique, Ecole Normale Supérieure (Paris) Jacques Meunier, Nicolas Huang, Peder Möller, Christophe Chevalier et Sébastien Moulinet Merci de votre attention!

45 Réservoir de Dilatance? Protocole - Géométrie Fond Réservoir

46 Nature de la transition Régime frictionnel = 0.61

47 Blocage Montée - descente Protocole - Géométrie Migration - Rhéoépaississement Géométrie plan-plan

48 Effet de la Concentration

49 Yield Stress and Shear banding Seuil découlement

50 Rhéoépaississement: Suspensions modèles Effet du confinement Protocole - Géométrie Suspensions adaptées en densité à φ= 0.6 Réservoir de Dilatance Rôle damortisseur + Retardateur

51 Rhéoépaississement: Suspensions modèles Effet du confinement Protocole - Géométrie Suspensions adaptées en densité à φ= 0.6 Contraintes normales << % Maïzéna

52 Conditions expérimentales Suspensions Fécule de maïs : Solution de Chlorure de Césium : Pas de sédimentation ni de crémage pendant plusieurs heures. Rhéométrie Macroscopique : Bohlin C – VOR 200 Locale : IRM Mesure des Profils de vitesse et de Concentration dans lentrefer pendant lécoulement Mesure de Viscosité et de Couple dans léchantillon pour différentes géométries (Couette, Plan – plan et Cône – plan) Mesure de Contraintes Normales Suspension de sphères dures à Température ambiante

53 Mesures de Couple: Mesures de Vitesse: Mesures de Concentration: Comportement local: visqueux C Migration - Rhéoépaississement Géométrie de Couette

54 Validation par IRM Profils de Concentration : (R) Profils de Concentration : (z) Le crémage macroscopique nest pas à lorigine du seuil T crémage >> T localisation, T seuil Localisation nest pas induite pas une hétérogénéité de concentration ConsolidationCrémage Contacts Equilibre


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