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Soutenance de Thèse de Doctorat, Université Paris 7

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. Seuil d’écoulement. Suspensions colloïdales:.

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Soutenance de Thèse de Doctorat, Université Paris 7

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Presentation Transcript

  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. 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: Percolation de clusters hydrodynamiques Transition ordre – désordre Brady; Morris; Bossis; Wagner, Cates Hoffman (1972) Origine: Forces hydrodynamiques ?

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

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

  8. x V Ft y Quelques éléments de rhéologie • 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 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 desProfils de vitesseV(R)durant2 s minimum. Mesure desProfils de Concentration φ(R)(2 min 30 s: Moyennage de 32 à 128 configurations)

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

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

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

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

  15. Rôle du Réservoir Protocole - Géométrie

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

  17. Effet du confinement Protocole - Géométrie Entrefer variable

  18. Surplus Effet du confinement Protocole - Géométrie

  19. Poussée Contraintes Normales (N1) Dilatance?

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

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

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

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

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

  25. 3 Dr = 0.00 g/cm Apport de l’IRM Protocole - Géométrie Suspensions à φ= 0.6 Billes 40 mm W =Constante (150 secondes) Cylindre intérieur Cylindre extérieur Pas de Localisation  Pas de Seuil Couette – IRM

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

  27. 3 Dr = 0.00 g/cm Migration Rhéoépaississement ? Apport de l’IRM Protocole - Géométrie • Profils de Concentration: j (R) Suspensions à φ= 0.6 Billes 40 mm W =Constante (150 secondes) Cylindre intérieur Cylindre extérieur 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 blocage local Migration - Rhéoépaississement • Géométrie de Couette: Lois locales

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

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

  41. Contacts Crémage – Consolidation

  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. 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. Fond Réservoir Réservoir de Dilatance? Protocole - Géométrie

  46. m = 0.61 Régime frictionnel Nature de la transition

  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 Rôle d’amortisseur + Retardateur

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