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

Les fluides complexes

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

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

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

PLAN Etude d’une suspension de Maïzéna Rhéoépaississement Etude d’une suspension modèle: billes de Polystyrène Rhéoépaississement Mise en place du Seuil

PLAN Etude d’une suspension de Maïzéna Rhéoépaississement Etude d’une suspension modèle: billes de Polystyrène Rhéoépaississement Mise en place du Seuil

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

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

Mesures locales: IRM Moteur à vitesse contrôlée : 0.01 à 100 tour/min Avec François Bertrand Moteur à vitesse contrôlée : 0.01 à 100 tour/min Profils mesurés dans l’entrefer au sein de l’échantillon Tranche de mesure: 4 cm hauteur, 1 cm largeur Résolution radiale : 0.6 – 1.3 mm. (Couette, Ri = 4.2 cm, Entrefer = 1.8 cm) 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)

Profils de vitesse: localisation Avant le rhéoépaississement Cylindre intérieur Cylindre extérieur Seuil d’écoulement 2pHR 2 c

Loi d’écoulement locale Jamming Loi de Puissance tronquée Le Rhéoépaississement apparaît à la fin de la localisation

Loi d’écoulement locale Profils de concentration Jamming Cylindre intérieur Cylindre extérieur Pas de Migration avant l’établissement du rhéoépaississement Le Rhéoépaississement apparaît à la fin de la localisation

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

Rôle du Réservoir Protocole - Géométrie

Rôle du Réservoir Amortisseur + Retardateur Surplus Protocole - Géométrie Surplus Amortisseur + Retardateur

Effet du confinement Protocole - Géométrie Entrefer variable

Effet du confinement Protocole - Géométrie Surplus

Dilatance? Poussée Contraintes Normales (N1)

Entrefer = paramètre libre Dilatation libre Protocole - Géométrie Fn = 0 Entrefer = paramètre libre

Dilatation libre Protocole - Géométrie Fn = 0 Variation de l’entrefer

Réservoir de Dilatance Mécanisme Protocole - Géométrie 4.95 4.63 Réservoir de Dilatance Rhéoépaississement Dilatance de Reynolds

PLAN Etude d’une suspension de Maïzéna Rhéoépaississement Etude d’une suspension Modèle: billes de Polystyrène Rhéoépaississement Rhéoépaississement Mise en place du Seuil

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

Apport de l’IRM Pas de Localisation  Pas de Seuil Protocole - Géométrie Suspensions à φ= 0.6 Dr = 0.00 g/cm 3 Billes 40 mm W = Constante (150 secondes) Cylindre intérieur Cylindre extérieur Pas de Localisation  Pas de Seuil Couette – IRM

Apport de l’IRM W Rhéoépaississement  Localisation Protocole - Géométrie Suspensions à φ= 0.6 Dr = 0.00 g/cm 3 Localisation W Billes 40 mm W = Constante (150 secondes) Cylindre intérieur Cylindre extérieur Rhéoépaississement  Localisation Couette – IRM

Apport de l’IRM Profils de Concentration: j (R) Suspensions à φ= 0.6 Protocole - Géométrie Profils de Concentration: j (R) Suspensions à φ= 0.6 Billes 40 mm Dr = 0.00 g/cm 3 W = Constante (150 secondes) Cylindre intérieur Cylindre extérieur Migration Rhéoépaississement ? Couette – IRM

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

Migration - Rhéoépaississement Géométrie de Couette: Lois locales

Migration - Rhéoépaississement Géométrie de Couette: Lois locales

Migration - Rhéoépaississement Géométrie de Couette: Lois locales

Migration - Rhéoépaississement Géométrie de Couette: Lois locales

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

PLAN Etude d’une suspension de Maïzéna Rhéoépaississement Etude d’une suspension modèle: billes de Polystyrène Rhéoépaississement Mise en place du Seuil Mise en place du Seuil

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

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

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

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

Gravité : source de confinement Protocole - Géométrie Suspensions à φ= 0.6 Billes 40 mm = Constante (300 secondes) Contraste de densité : Bifurcation de viscosité : Arrêt de l’écoulement

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

Crémage – Consolidation Contacts

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

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

Merci de votre attention! 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!

Réservoir de Dilatance? Protocole - Géométrie Fond Réservoir

Nature de la transition Régime frictionnel m = 0.61 L’hypothèse de la dilatance étant vérifiée, cela implique, comme dans le cas des milieux granulaires secs, des contacts

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

Effet de la Concentration

Yield Stress and Shear banding Seuil d’écoulement

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

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

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

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

Localisation n’est pas induite pas une hétérogénéité de concentration Validation par IRM Profils de Concentration : j (R) Profils de Concentration : j (z) Localisation n’est pas induite pas une hétérogénéité de concentration T crémage >> T localisation, T seuil Contacts Le crémage macroscopique n’est pas à l’origine du seuil Equilibre Consolidation Crémage