Rheology and migration of deformable particles in dense suspensions
Rhéologie et migration de particules déformables dans les suspensions denses
Résumé
Deformable particles migrate in a sheared suspension. A source of this phenomena would be the collective interactions between particles which rheologically means the emergence of normal stresses generated by direct contact between particles. In this thesis the particle normal stress has been experimentally investigated as an origin of migration of deformable particles. Non-Brownian droplets and microcapsules were used as a model system of deformable particles. A membrane emulsification process was adapted to produce uniform suspensions of microcapsules at high throughput. Then an automatic microfluidic system was developed to measure the elasticity of their shell. In microcapsule suspensions, it was found that both the hydrodynamic and contact viscosities show a shear-thinning behavior. In high volume fraction, the contact viscosity, which originate from normal stress, is the principal contributor to the apparent viscosity. Migration and normal stress of buoyant particles were inferred by measuring the vertical concentration profile in viscous resuspension experiments in a vertical Couette cell. The normal stress varies linearly with the Shields number and its dependence on the volume fraction is in agreement with the models proposed in the literature for solid particles. All of these results suggest that the migration of deformable particles in dense suspension under shear can be explained by the same rheological laws as for rigid particles, regardless of their deformability (for Ca <0.2). Furthermore, in the case of capsules, these rheological laws are governed by the solid contacts between the particles.
Les particules déformables migrent dans une suspension cisaillée. Une source de ce phénomène serait les interactions collectives entre particules ce qui signifie rhéologiquement l'émergence de contraintes normales générées par le contact direct entre les particules. Dans cette thèse, la contrainte normale des particules a été étudiée expérimentalement comme une origine de migration de particules déformables. Des gouttes et des microcapsules non browniennes ont été utilisées comme système modèle de particules déformables. Un procédé d'émulsification membranaire a été adapté pour produire des suspensions uniformes de microcapsules à haut débit. Puis un système microfluidique automatique a été développé pour mesurer l'élasticité de leur coque. Dans les suspensions de microcapsules, il a été trouvé que les viscosités hydrodynamiques et de contact présentent un comportement de rhéofluidification. Pour des fractions volumiques élevées, la viscosité de contact, qui provient de contraintes normales, est le principal contributeur à la viscosité apparente. La migration et la contrainte normale des particules non-isodenses ont été déduites en mesurant le profil de concentration vertical dans des expériences de resuspension visqueuse dans une cellule de Couette verticale. La contrainte normale varie linéairement avec le nombre de Shields et sa dépendance avec la fraction volumique est en accord avec les modèles proposés dans la littérature pour des particules solides. L’ensemble de ces résultats suggère que la migration de particules déformables en suspension dense sous cisaillement s’explique par les mêmes lois rhéologiques que pour des particules rigides, indépendamment de leur déformabilité (pour Ca < 0.2). De plus, dans le cas des capsules, ces lois rhéologiques sont gouvernées par les contacts solides entre les particules.
Origine : Version validée par le jury (STAR)