Rhéologie des suspensions concentrées et migration des particules induites par l'écoulement

Rheology of concentrated suspensions & shear-induced migration

• Auteur / Autrice : Talib Dbouk
• Direction : Élisabeth Lemaire
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Nice
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice2000-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sédiments en suspension

Volumes finis, Méthodes de

Pression -- Mesure

Contraintes (mécanique)

Rhéologie

Résumé

Lorsqu’une suspension concentrée est en écoulement, il est fréquent d’observer que la concentration en particules ne reste pas homogène mais que les particules migrent vers des régions préférentielles de l’écoulement. Globalement, il existe deux types de modèles pour décrire cette interaction entre l’écoulement et la structure qui apparaît dans la suspension. Les premiers sont assez phénoménologiques et reposent sur l’étude des collisions qui surviennent entre les particules en écoulement. Ils donnent lieu à une description de la migration en termes de diffusion des particules. Le second modèle, appelé « Suspension Balance Model » (SBM), fait appel à l’action des contraintes normales d’origine particulaires engendrées par l’écoulement. Ce modèle semble très pertinent mais son utilisation souffre du manque de données sur les contraintes normales dans les suspensions. Ce manuscrit rapporte une étude expérimentale et numérique de la rhéologie et de la migration induite par un écoulement dans des suspensions non-browniennes concentrées. La partie expérimentale consiste à mesurer, en géométrie torsionnelle plan-plan, la viscosité, les deux différences de contraintes normales et le tenseur des contraintes particulaires. Les contraintes particulaires déterminées expérimentalement sont alors injectées dans le « Suspension Balance Model » qui relie le flux de particules à la divergence du tenseur des contraintes particulaires, dans le cas d’un écoulement de cisaillement simple. Les équations couplées de la conservation de la masse, des particules et du moment d’inertie sont implémentées dans OpenFOAMr et résolues par la méthode des volumes finis. Les résultats numériques sont comparés à des résultats numériques et expérimentaux de la littérature. Enfin, le SBM est généralisé pour être utilisé dans tout type d’écoulement à 2 dimensions ; les cas du cisaillement d’un nuage de particules et de l’effet de la gravité dans un écoulement de Couette horizontal sont traités.

This thesis deals with an experimental and numerical investigation of the phenomenon of shear-induced particle migration in inhomogeneous shear flows of mono-dispersed non-colloidal suspensions at neglected inertia. Varieties of diffusion flux models that predict the shear-induced migration were presented. However, in this work, the Suspension Balance Model (SBM) is adopted. The latter describes the migration flux of particles as the divergence of the particles Stress tensor. According to the need for the different measurable parameters in this Model, a new experiment was developed for measuring the viscosity, the two Normal Stress Differences and the particle stress tensor of mono-dispersed non-Brownian suspensions of hard spheres flowing between rotating parallel disks over a wide range of concentrations (2. 20-0. 46). The original SBM is modified based on the new measurements. The Finite Volume Method via the OpenFOAM package is used as the technique to solve the problem numerically. Solutions are generated and results are compared to similar ones generated with the original model. Finally, the SBM model is extended into two-dimensional situations within a general Frame-invariant structure that takes into account the local kinematics of the suspension.