Etude expérimentale de l’écoulement d’un PEBD à travers un contraction 3D : Simulation numérique avec un modèle constitutif différentiel de type pom-pom

Experimental study of the LDPE flow through an 3D abrupt contractions : Numerical simulation with pom-pom differentiel constitutif model

• Auteur / Autrice : Mohamed Haouche
• Direction : Jacques Guillet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et sciences des matériaux
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Saint-Etienne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation tridimensionnelle

Biréfringence

Viscosité

Polyéthylène

Résumé

La thèse présentée comporte deux parties. Une partie expérimentale qui consiste à étudier le caractère tridimensionnel de l'écoulement d'un PEbd dans des contractions brusques (planes et 3D). La cinématique de ce type d'écoulement a été mise en évidence par la technique du suivi des particules colorées. Dans les contractions planes, l'écoulement secondaire est caractérisé par un mouvement spiralé des particules dans la troisième direction, du plan de symétrie vers les parois latérales, avant de rejoindre l'écoulement principal en aval de la contraction. Avec les contractions purement 3D, le même type de cinématique a été observé : l'écoulement secondaire dans les vortex est orienté des plans de symétrie médians vers les plans de symétrie diagonaux, puis les particules rejoignent l'écoulement principal dans le chenal. La biréfringence induite par l'écoulement d'un PEbd dans une contraction plane confirme l'importance des effets 3D sur la distribution des contraintes globales. Ces effets sont détectés par la forme des franges isochromatiques en amont et en aval de la contraction. Dans les conditions 3D, ces franges ont une forme aplatie en amont avec l'apparition de franges en forme « W » en aval de la contraction, contrairement au cas 2D où nous avons observé une forme des franges en aile-papillon en amont de la contraction et l’absence de franges « W » en aval. Concernant l'origine de franges « W », notre étude montre que leur présence est corrélée avec la cinématique tri-dimensionnelle de ce type d'écoulement ; la possibilité de les observer dépend de la dimension de la géométrie dans la direction neutre. Dans la deuxième partie, une comparaison entre l’expérience et la simulation a été effectuée en terme de cinématique et de contraintes, ce qui constitue un critère de sélection important pour les modèles constitutifs. Les résultats obtenus confirment la pertinence du modèle Pom-Pom différentiel à prédire les écoulements du PEbd dans des géométries complexes, ainsi que l'importance d'une analyse 3D pour ce type d’études

The present PhD work contains two principal parts. The first part is dedicated to the experimental characterization of the 3D viscoelastic flow of LDPE in different contraction geometries. This study is focused on the global flow kinematics characterized in terms of experimental particle tracking and image analysis as well as on the stress distribution characterized in terms of flow induced birefringence. It was presented a detailed analysis of the complex three-dimensional motion of the secondary flow inside the vortex region. In contrary to the two-dimensional axisymmetric flow, where the secondary vortex motion is completely separated from the bulk flow, the detected 3D vortex was proven experimentally to be open with much more complex flow kinematics. In the case of 3D planar contraction flow the material is entering the vortex region at the plane of symmetry and gradually moving to the side wall where it goes to the slit die of the contraction. In the case of 3D square to square and square to circular contraction geometry, the material is entering the vortex region at the median planes and moves in helical manner to the diagonal planes of symmetry where it goes to the capillary die of the geometry. The flow induced birefringence confirms the 3D character of the stress distribution. The main character of the 3D viscoelastic stress distribution is expressed by the presence of more flatten type of fringes in the upstream part of the contraction as well as the appearance of specific “W” shaped fringes at the beginning of the downstream part. In fact our results give the first confirmation of the 3D nature of the “W” fringes. The second part presents an extensive comparison between the experimental results of part 1 and the 3D numerical simulations based on the recently proposed Pom Pom differential model. A good up to excellent agreement in terms of flow kinematics and stress distribution was observed. These encouraging results confirm the excellent predictive capabilities of the Pom Pom differential model as well as the necessity of full 3D numerical analysis for this kind of complex 3D flows