Origine de la diffusion induite par cisaillement dans les suspensions de particules : rôle crucial des contacts

Origin of shear-induced diffusion in particulate suspensions : crucial role of solid contacts between particles

• Auteur / Autrice : Phong Ngoc Pham
• Direction : Ouamar Rahli, Jason E. Butler, Bloen Metzger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et Physique des Fluides
• Date : Soutenance le 19/04/2016
• Etablissement(s) : Aix-Marseille en cotutelle avec University of Florida
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille ; 2000-....)
• Jury : Président / Présidente : Éric Climent
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stany Gallier, Renwei Mei
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ranga Narayanan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécanique du contact

Particules (matière)

Microstructure (physique)

Écoulement cisaillé

Mots clés libres

Rhéologie

Suspension

Lubrification

Contact

Irréversibilité

Rheology

Suspension

Lubrication

Contact

Irreversibility

Résumé

Nous avons étudié la dynamique de particules rigides et sphériques immergées dans un écoulement de cisaillement simple et oscillant à bas nombre de Reynolds. Les particules, au delà d’une déformation critique, se comportent de façon irréversible. La particules suivent alors un processus diffusif appelé: diffusion induite par cisaillement. Dans cette thèse, nous avons montré, par une approche numérique et expérimentale, que les collisions solides entre particules sont à l’origine de ce phénomène. Des simulations numériques ont été effectués afin d’évaluer l’importance relative des forces hydrodynamiques longues portées, des forces de lubrifications et des forces de contact. Deux expériences ont été effectuées afin de mettre en évidence l’influence des contacts solides entre particules. Nous avons étudié la dynamique de 3 particules soumises à un écoulement de cisaillement périodique. Les trajectoires des particules sont irréversibles durant le premier cycle et réversible pour les cycles suivants. En montrant que l’amplitude de l’irréversibilité est corrélée à la rugosité des particules, nous fournissons une preuve évidente que des collisions solides entre particules ont bien lieu et que ces collisions influencent la dynamique des particules. Effectuée dans une suspension homogène, le rôle des contacts a aussi été mis en évidence en montrant que l’amplitude critique de déformation dépend de la rugosité des particules. Un modèle géométrique simple qui considère des `particules effectives’ ayant un volume dépendant de l’amplitude de déformation et de la rugosité des particules, nous a permis de quantitativement reproduire les mesures expérimentales.

Even at low Reynolds number, particles within a shear flow exhibit irreversible dynamics. Many theories have been put forth to explain this phenomenon, the origin of irreversibility remains unclear. An integrated program of experimental and computational studies has been performed to assess the origin of the irreversible behavior of particles. Numerical simulations were used to evaluated the relative importance of long-range hydrodynamic interactions, lubrication, and contact forces. By isolating contribution of these interactions, we have shown that neither the long-range hydrodynamic interactions nor the lubrication are responsible for irreversibility. Solid contacts between particles largely dominate this phenomenon. However, producing realistic results requires both contact interactions and lubrication. Two different experiments were performed to address the role of contacts between particles in sheared suspensions. In the first experiment, the particle trajectories are irreversible during the first cycle but reversible for the next cycles. By showing that the magnitude of irreversibility increases with the particle roughness, we provide direct evidence that contacts occur in viscous flow. Experimental particle trajectories are well captured by the numerical model. In the second experiment, performed in a homogeneous suspension, the role of solid collisions was also revealed by showing that the critical strain amplitude depends on the particle roughness. A geometrical model based on the assumption that colliding particles produce irreversibility was derived. The model successfully reproduces the measured values of the critical strain amplitude.