ECOULEMENT et BLOCAGE de SUSPENSIONS CONCENTREES

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1 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

2 Les fluides complexes

3 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?

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

5 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 ?

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

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

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

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

10 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)

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

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

13 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

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

15 Rôle du Réservoir Protocole - Géométrie

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

17 Effet du confinement Protocole - Géométrie Entrefer variable

18 Effet du confinement Protocole - Géométrie Surplus

19 Dilatance? Poussée Contraintes Normales (N1)

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

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

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

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

24 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)

25 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

26 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

27 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

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

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

34 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

35 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)

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

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

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

39 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

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

41 Crémage – Consolidation
Contacts

42 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

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

44 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!

45 Réservoir de Dilatance?
Protocole - Géométrie Fond Réservoir

46 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

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

48 Effet de la Concentration

49 Yield Stress and Shear banding
Seuil d’écoulement

50 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

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

52 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

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

54 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