Imagerie de suspensions pour la mesure des contraintes particulaires dans les suspensions non-browniennes - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Imagery of suspensions to measure particle stresses in non-Brownian suspensions

Imagerie de suspensions pour la mesure des contraintes particulaires dans les suspensions non-browniennes

Résumé

Many studies have been done on the rheology of suspensions since the previous work of Einstein at the beginning of the 20th century but many scientific puzzles still remain, especially when the concentration increases. Nowadays, we know that the solid contact between particles rules the behavior of non Brownian concentrated suspensions : it increases the viscosity, inducesbehavior more complex than the basic Newtonian model and are responsible for phenomenon of migrations of solid particles inside a suspension. Naturally, theoretical models as the Suspension Balance Model which predict and describe the behavior of a sheared non Brownian suspension deals with these non hydrodynamic interactions. But there is a lack of experimental measurements to confront these predictions. Indeed, it is very difficult to measure experimentally the contribution of solid particles to the total stress of suspension and this is precisely what I’ve tried to do during these last three years. I’ve organized my work following two lines of research. The first one is a macroscopic study of the rheological behavior of different suspensions where the particle form varies from a suspension to another. Therewith, I show that non-Brownian and non-colloidal suspensions have a shear thinning behavior which can be correctly captured by the introduction of a jamming volumefraction which is shear stress-dependant. The second line of research is the biggest part of my work. Thanks to an experimental home-made set up, I study locally the behavior of a non Brownian suspension in two cases : with or without buoyancy effects. Matching the refractive index of the particles and of the fluid, I manage to image the particles inside the suspensions subjected to a shear flow in order to determine the concentration and the velocity fields. From these local measurements, I deduce on the one hand the variation of the shear viscosity with particle volume fraction and shear stress and, on the otherhand the variation of the normal particle stresses in the direction of the velocity gradient and the vorticity. I also show that there are significant differences in the flow of a suspension depending on whether gravity plays a role or not. More precisely, I show that the radial migration observed in a cylindrical large gap Couette flow is much less pronounced than what the Suspension Balance Model predicts if the particles do not have the same density as the suspending liquid.
Depuis les travaux précurseurs d’Einstein il y a plus d’un siècle, la rhéologie des suspensions est un domaine de la physique qui a grandement évolué mais qui reste encore largement incompris, en particulier lorsqu’il s’agit dessuspensions concentrées. De nos jours, il est reconnu que les contacts entre les particules solides composant une suspension régissent le comportement rhéologique des suspensions non-browniennes concentrées : ils en augmententla viscosité et entraînent des comportements non-newtoniens. Les contraintes particulaires sont également à l’origine de la migration induite par cisaillement observée dans différents types d’écoulement à bas nombre de Reynolds,comme le proposent plusieurs modèles dont le plus populaire est le Suspension Balance Model. Malheureusement, les mesures des contraintes particulaires sont assez rares et il est par conséquent assez difficile de tester les modèlesqui ont été proposés pour expliquer ou prédire la migration. Au cours de ma thèse, j’ai essayé de contribuer à combler ce manque en orientant mes recherches suivant deux grands axes. Le premier est d’étudier de manièremacroscopique l’impact de la forme des particules composant une suspension sur la viscosité de cisaillement et également sur la contribution des contacts à cette viscosité. En outre, je montre que les suspensions non-browniennes et non-colloïdales ont un comportement rhéofluidifiant qui peut être décrit correctement par l’introduction d’une fraction volumique de blocage qui dépend de la contrainte de cisaillement. Le second et principal axe de recherche que j’ai suivi concerne une étude locale du comportement rhéologique d’une suspension dans deux cas distincts. Dans un des cas, les particules et le fluide suspendant ont la même densité, dans l’autre, les particules sédimentent sous l’effet de la gravité et sont resuspendues par un écoulement de cisaillement. J’ai réalisé un montage expérimental qui me permet d’imager la suspension pour mesurer localement non seulement la concentration en particules mais également le taux de cisaillement. Des mesures locales, je déduis d’une part la variation de la viscosité de cisaillement avec la fraction volumique de particules et la contrainte de cisaillement et, d’autre part la variation des contraintes normales particulaires dans la direction du gradient de vitesse et de la vorticité. Je mets par ailleurs enévidence des différences significatives dans l’écoulement d’une suspension suivant que la gravité joue un rôle ou non. En particulier, je montre que la migration radiale observée dans un écoulement de Couette cylindrique à large entrefer est beaucoup moins prononcée que ce que prévoit le Suspension Balance Model si les particules n’ont pas la même densité que le fluide suspendant.
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2020COAZ4045.pdf (26.4 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03052285 , version 1 (10-12-2020)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03052285 , version 1

Citer

Enzo d'Ambrosio. Imagerie de suspensions pour la mesure des contraintes particulaires dans les suspensions non-browniennes. Mécanique [physics]. Université Côte d'Azur, 2020. Français. ⟨NNT : 2020COAZ4045⟩. ⟨tel-03052285⟩
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