Écoulements et écrasements de fluides : effet du mouillage et de la rhéologie

Flowing and squeezing fluids : effect of wetting and rheology

• Auteur / Autrice : Jérémy Ferrand
• Direction : Eric Freyssingeas 19..-....
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 15/09/2017
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure de Lyon (2010-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique (Lyon ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Clanet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Freyssingeas 19..-...., Christophe Clanet, Pascal Hebraud, Frédéric Restagno, Catherine Barentin, Sylvain Joubaud, Jacco H. Snoeijer, Élise Lorenceau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Hebraud, Frédéric Restagno

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymères -- Rhéologie

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Écoulement

Écrasement

Fluides simples et complexes

Mouillage

Rhéologie

Polymères

Flowing

Squeezing

Simple and complex fluids

Wetting

Rheology

Polymers

Résumé

La vidange d'un réservoir à travers un orifice a été décrite par Torricelli il y a presque 400 ans. Son modèle ne prévoit aucun effet du mouillage du fluide qui s’écoule sur la plaque percée. Cette thèse montre expérimentalement que pour un orifice de taille comparable à la longueur capillaire, pour des fluides newtoniens peu visqueux, l’effet du mouillage sur le débit est important. Un modèle calculant la variation d'énergie cinétique dans le ménisque à la sortie du trou rend compte des observations expérimentales. Une instabilité, inconnue, du jet en sortie du trou apparaît également ; l'oscillation de la ligne triple du ménisque en est la cause. Les relations de dispersion de la fréquence d’excitation et des fréquences secondaires apparaissant le long du jet ont été établies.Cette étude a été complétée par des écoulements de fluides visqueux et viscoélastiques. Pour les fluides visqueux, le modèle d’écoulement du fluide parfait est corrigé à partir de nos expériences. Pour les fluides viscoélastiques, les expériences montrent qu'il y a compétition entre les dissipations visqueuses et les effets élastiques tout le long de l'écoulement. La prédiction de ces deux effets n'est pas aisée. Nous montrons des situations où les effets élastiques prédominent, permettant à une solution de polymère de couler plus vite que de l'eau.Pour finir, un second système expérimental a été construit permettant l'écrasement de fluides complexes entre deux plaques de verre parallèles. La visualisation, la mesure de la position et de la force normale, permettent de mieux comprendre le comportement de systèmes tels que les mousses, les émulsions, les gels sous une contrainte normale.

The draining of a tank through an orifice was described by Torricelli almost 400 years ago. His model does not provide for any wetting effect of the flowing fluid on the drilled plate. This thesis shows experimentally that the effect of wetting on the flow rate is important for Newtonian fluids with low viscosity in the case of an orifice the size of which is comparable to the capillary length. A model calculating the kinetic energy variation within the meniscus at the outlet of the hole allows us to account for experimental observations. Unknown jet instability also appears at the outlet of the hole; this is the oscillation of the meniscus triple line that is causing it. The relations of dispersion of the excitation frequency as well as that of the secondary frequencies appearing along the jet have been established.This investigation was supplemented by flows of both viscous and viscoelastic fluids. For viscous fluids, the perfect fluid model is corrected based on our experiments. For viscoelastic fluids, experiments show that there is competition between viscous dissipations and elastic effects throughout the flow. The prediction of both effects is challenging. We show situations where elastic effects dominate, allowing a polymer solution to flow faster than water.Finally, a second experimental set-up was build for compressing complex fluids between two parallel glass plates. Visualization, both position and normal force measurements, allow a better understanding of the behavior under normal stress of systems such as foams, emulsions, gels.