Etude du comportement thixotrope de suspensions de bentonite en conduite

Study of thixotropic behaviour of bentonite suspensions throw Pipe

• Auteur / Autrice : Epiphane Moreira
• Direction : Abdellah Ghenaim, Karim Bekkour
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sédiments en suspension

Bentonite

Thixotropie

Résumé

La manière habituelle de prévoir le comportement en conduite de fluides Non Newtoniens consiste à effectuer une étude rhéologique, à en déduire un modèle de comportement introduit dans les équations de l’écoulement. Cette approche peut s’avérer insuffisante dans le cas de fluides présentant à la fois un seuil d’écoulement et un comportement thixotrope complexe tels que les suspensions de Bentonite ou de Laponite. Dans cette thèse nous avons réalisé des écoulements de suspensions de Bentonite et de Laponite sous différentes conditions : rampes de débits, écoulements à charge constante ainsi que des écoulements oscillatoires. Nous mesurons simultanément les profils de vitesse et les pertes de charge. Ces écoulements sont caractérisés par une zone bouchon au cœur de l’écoulement et une zone cisaillée localisée à la paroi. La connaissance de la localisation du rayon de transition ou rayon critique entre ces zones est d’un intérêt ou d’un point de vue non seulement fondamental mais aussi pratique. D’un point de vue pratique il s’agit d’un paramètre indispensable au calcul des contraintes pariétales et donc des pertes de charge. D’un point de vue théorique il révèle les conditions de transition entre état fluide et état gel. Dans le cas de fluides à seuil le rayon critique est supposé être localisé à l’endroit ou la contrainte est égale à la contrainte seuil. Nous montrons qu’une mince couche fluidifiée existe à la paroi quelque soit la contrainte appliquée. L’épaisseur de cette couche fluidifiée s’accroit lentement et continument avec le temps lors de la mise en écoulement tant que la contrainte à l’interface reste supérieure à un certain seuil. Cette contrainte limite à l’interface ne peut être assimilée à une contrainte seuil au sens classique du terme puisque des contraintes supérieures en dehors de la zone d’interface ne conduisent pas à une déstructuration de la suspension. Nous en déduisons que le mécanisme principal de déplacement du rayon critique dans nos conditions expérimentales est de type érosif. Un modèle de la cinétique d’érosion couplé à un modèle d’évolution des paramètres rhéologiques de la zone fluidifiée est proposé. Ce modèle permet de reproduire de façon satisfaisante les principaux résultats expérimentaux.

The usual approach to predict pipe flow characteristics of non Newtonian fluids consists in performing rheological studies leading to a rheological model of the fluid introduced in pipe flow momentum equation. This approach can be a difficult task in case of fluid having yield stress and complex thixotropic behaviour such as bentonite or laponite suspensions. In the present thesis we present pipe flow experiments of bentonite and laponite suspensions in various flow conditions: constant and increasing flow rates, constant pressure head and oscillations flow. We simultaneously measure the instantaneous velocity profiles and pressure drop. Such flows are characterized by a plug zone at the pipe centre and a sheared zone at the pipe wall. Knowing the location of the transition radius or critical radius is of fundamental interest from practical as well as theoretical point of view. From practical point of view it is one of the parameter that permit to determine wall shear stress hence pressure drop. From theoretical point of view it reveals the conditions of transition from solid to fluid state. For fluid having a yield stress the critical radius is supposed to be located at a position where local stress is equal to yield stress. We show that a thin fluid layer exists at the wall whatever the applied stress. The thickness of this fluid layer increases slowly and continuously with flow time till the stress at the solid fluid interface is larger than a limit value. This limit interfacial stress can not be assimilated to a yield stress since suspension volumes in the bulk fluid having experienced much larger stress continue to behave as a solid. We conclude that the location of the critical radius is not governed by an instantaneous mechanical rupture of the particle structure but rather by an erosion mechanism of the solid zone. The erosion kinetic as well as the rheological behaviour of the fluid film are modelled. The model appears capable to predict all the observed flow phenomena.