Écoulement et stabilité d’un rideau liquide viscoélastique

Flow and stability of a viscoelastic liquid curtain

• Auteur / Autrice : Antoine Gaillard
• Direction : Laurent Limat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 19/12/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Matière & Systèmes Complexes (Paris ; 2001-....)
• Jury : Président / Présidente : Anke Lindner
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Limat, Anke Lindner, Guillaume Ovarlez, John Hinch, Camille Duprat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Ovarlez, John Hinch

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymères

Polymères

Fluides complexes

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Mécanique des fluides

Écoulement à surface libre

Fluides complexes

Polymères

Instabilités élastiques

Fluid mechanics

Free-surface flow

Complex fluids

Polymers

Elastic instabilities

Résumé

L’écoulement et la stabilité des rideaux liquides viscoélastiques sont étudiés pour des solutions de polymères flexibles et semi rigides. Ces liquides viscoélastiques sont extrudés à partir d’une fente à débit constant et s’écoulent à l’air libre sous l’effet de la gravité. L’écoulement de ces liquides se caractérise par un équilibre initial entre la gravité et les forces élastiques causées par les déformations des chaînes de polymère, jusqu’à ce que l’inertie du liquide finisse par dominer et que l’on retrouve le comportement classique de chute libre. Nous montrons que l’écoulement est principalement influencé par la valeur du temps de relaxation extensionnel mesuré par une méthode de filamentation. Un nouvel éclairage sur l’écoulement des rideaux liquides Newtoniens nous permet de trouver une courbe maîtresse de l’écoulement dans le cas viscoélastique par analogie. En ce qui concerne la stabilité du rideau, nous observons que le débit critique de formation du rideau n’est pas affecté par la présence de polymères, tandis que le débit minimum en deçà duquel le rideau se rompt diminue après ajout de polymères, ce qui révèle une plus grande résistance de la nappe à l’initiation de trous. Par ailleurs, nous observons une instabilité de l’écoulement pour les solutions les plus rhéofluidifiantes, où des bandes épaisses (où la vitesse du liquide est supérieure à la moyenne) sont formées au sein du rideau. Une visualisation de l’écoulement à l’intérieur de la filière d’extrusion révèle que ce phénomène est lié à une instabilité de l’écoulement de contraction en amont de la fente, où l’écoulement est de nature instationnaire et tridimensionnelle.

The flow and the stability of viscoelastic liquid curtains are investigated using solutions of flexible and semi-rigid polymer chains. These viscoelastic liquids are extruded from a slot at constant flow rate and fall in ambient air under gravity. We show that the curtain flow of polymer solutions is characterized by an initial balance between gravity and the elastic stresses arising from the stretching of polymer molecules, until inertia finally dominates and the classical free-fall behavior is recovered. We show that the flow is mostly influenced by the value of the extensional relaxation time of the solution measured by a filament thinning technique. New insights on the theoretical description of Newtonian curtains allow us to find the master curve of the viscoelastic curtain flow by analogy. Concerning the curtain stability, we show that the critical flow rate for curtain formation is not affected by the presence of polymers whereas the minimum flow rate below which the curtain rapidly breaks is reduced by polymer addition, thus revealing a greater resistance of the sheet to hole initiations. Furthermore, we observe the onset of a flow instability for the most shear-thinning solutions, where thick bands (where the liquid velocity is larger than average) are formed within the curtain. Visualizations of the flow inside the die reveal that this phenomenon is linked to a flow instability at the contraction plane upstream of the slot where the flow is unsteady and three-dimensional in nature