Stabilité de l’écoulement de Taylor-Couette de fluides complexes

Stability of the Taylor-Couette flow of complex fluids

• Auteur / Autrice : Yao Agbessi
• Direction : Lionel Choplin, Cécile Lemaitre, Chérif Nouar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés et des produits
• Date : Soutenance le 02/09/2015
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés - Laboratoire Energies et Mécanique Théorique et Appliquée
• Jury : Président / Présidente : Innocent Mutabazi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Brancher, Blaise Nsom

Mots clés

Mots clés contrôlés

Reynolds, Nombre de

Tourbillons (mécanique des fluides)

Fluides rhéofluidifiants

Dynamique des fluides

Fluides complexes

Mots clés libres

Stabilité

Croissance transitoire

Transition vers la turbulence

Taylor-Couette

Fluides complexes

Stability

Transient growth

Transition to turbulence

Taylor-Couette

Complex fluids

Résumé

Quand on augmente le nombre de Reynolds d’un écoulement, il passe progressivement d’un état ordonné, laminaire, à un état chaotique, turbulent. Lors de cette transition, on voit apparaître des structures hydrodynamiques ordonnées qui se désordonnent sous l’effet de déstabilisations successives. Ces structures peuvent poser problème lorsqu’on souhaite par exemple homogénéiser des suspensions car des particules peuvent s’y retrouver piégées et générer des zones sur ou sous-concentrées. La plupart des fluides naturels et industriels sont non newtoniens. Pour mieux comprendre et contrôler l’apparition des structures hydrodynamiques dans de tels fluides, nous nous sommes intéressés dans le cadre de cette thèse, aux mécanismes d’instabilités gouvernant la transition vers la turbulence de fluides complexes dans la configuration simplifiée de Taylor-Couette. Dans un premier volet théorique et numérique, les concepts d’instabilités hydrodynamiques ont été appliqués à l’écoulement de Taylor-Couette pour trois modèles rhéologiques : la loi de puissance, le modèle de Carreau et le modèle de Bingham. Deux rapports de rayons et différentes vitesses de rotation des deux cylindres ont été considérés. La déstabilisation de l’écoulement de Couette circulaire a été étudiée pour prédire l’apparition de structures telles que les rouleaux de Taylor-Couette aux temps longs. Une analyse aux temps courts a également été effectuée pour étudier les phénomènes de croissance transitoire dans l’écoulement. Dans un second volet expérimental, un dispositif de Taylor-Couette en plexiglas a été élaboré. Dans un premier temps, des mesures de couple avec un fluide newtonien (glycérol) ont été réalisées et comparées avec succès avec les résultats de la littérature. Des mesures rhéométriques ont ensuite été réalisées pour choisir des fluides répondant aux lois rhéologiques utilisées dans le volet théorique. Des visualisations ont été effectuées pour détecter l’apparition des instabilités et les conditions critiques ont été comparées aux prédictions de l’analyse linéaire de stabilité. Des mesures de vélocimétrie par image de particules (PIV) ont été aussi effectuées pour déterminer les champs de vitesse de l’écoulement. Ces différentes études ont permis de mettre en évidence le caractère sous-critique et l’apparition d’un écoulement chaotique engendrés par le caractère rhéofluidifiant des fluides.

When increasing the Reynolds number of a flow, it passes gradually from an ordered state, called laminar, to a chaotic state, called turbulent. During this transition, organized hydrodynamic structures appear which disorganize under successive destabilizations. These structures may cause problems for example in the relation to the homogenization of suspensions, because particles may be trapped in the structures, leading to under or over-concentrated zones. Furthermore, most of the fluids found in nature and in the industry are non-Newtonian. In order to better understand and control the apparition of hydrodynamic structures in such fluids, we focused during this PhD on the instability mechanisms governing the transition to turbulence of complex fluids in the simplified configuration of Taylor-Couette. In a theoretical and numerical approach, concepts of hydrodynamic instabilities were applied to the circular Couette flow for three rheological models: the power law, the Carreau and the Bingham models. Two radius ratios and different rotation velocities were considered for the cylinders. The destabilization of the circular Couette flow was studied to predict the apparition of structures such as Taylor vortex at long times. An analysis at short time was also performed to study the phenomena of transient growth. In an experimental approach, a Taylor-Couette device was designed. First, the torque on the inner cylinder was measured for a Newtonian fluid (glycerol) and successfully compared to previous results of the literature. Secondly, rheological measurements were conducted in order to select fluids showing rheological behaviors considered in the theoretical approach. Visualizations were then performed in order to detect the apparition of instabilities and the critical conditions were compared to the predicted by means of the linear stability analysis. Finally, PIV measurements provided velocity fields in the flow. These different studies evidenced a subcritical transition and chaotic flow due to the shear-thinning character of the fluids.