Ecoulements capillaires de suspensions granulaires

Capillary flows of granular suspensions

• Auteur / Autrice : Alice Pelosse
• Direction : Elisabeth Guazzelli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 29/09/2023
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Matière et Systèmes Complexes (Paris ; 2001-....)
• Jury : Président / Présidente : François Lequeux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Elisabeth Guazzelli, François Lequeux, Anne Juel, Devaraj Van der Meer, Élise Lorenceau, Matthieu Roché
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne Juel, Devaraj Van der Meer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanoconfinement

Capillarité

Chimie des surfaces

Suspensions (chimie)

Mots clés libres

Suspensions

Interfaces

Capillarité

Confinement

Suspensions

Capillarity

Interfaces

Confinement

Résumé

Cette thèse porte sur les écoulements capillaires de suspensions granulaires. Les suspensions, mélanges hétérogènes de particules dans un fluide, sont omniprésentes dans notre environnement et dans l'industrie (sang, avalanches, cosmétiques, ciment). On parle de suspensions granulaires lorsque l'agitation des particules est négligeable. Contrairement à la plupart des études qui traitent des cas de grands volumes de suspensions sans surface avec l'air, mes travaux de recherche portent sur les écoulements millimétriques de suspensions couplés avec une interface dynamique. Ces écoulements sont alors qualifiés de capillaires puisque dominés par les forces de capillarité au niveau de l'interface. Les particules en suspensions interagissent alors avec une interface qui les confine ^plus ou moins selon leur taille. Mon approche, basée sur les expériences, est approfondie par des réflexions théoriques sur les ingrédients-clé de la modélisation de ces systèmes. J'ai d'abord étudié la façon dont ces suspensions s'étalent sur une surface et montré que les particules peuvent être utilisées comme sondes pour comprendre comment la dissipation d'énergie se produit dans le liquide en jouant astucieusement sur leur taille. Ainsi, mon travail enrichit nos connaissances sur les suspensions granulaires, mais aussi celles sur le mouillage dynamique en général. En particulier, j'ai montré expérimentalement que les lois classiques de Tanner et Cox-Voinov s'appliquent toujours avec des viscosités effectives qui peuvent dépendre de différents paramètres. Mon deuxième projet explore l'effet des particules dans des films minces instables sous l'effet de la gravité. Cette instabilité de Rayleigh-Taylor sélectionne un motif hexagonal plus instable pour un fluide continu, caractérisé par une longueur d'onde et un temps de croissance. Lors de l'ajout de particules, l'instabilité semble présenter deux régimes : pour des petites particules, l'instabilité ne diffère du fluide simple que par sa vitesse de croissance. Pour les plus grosses particules, l'instabilité est inhibée. En plus d'étoffer notre compréhension de ces phénomènes, ces résultats ouvrent la voie à la stabilisation de films minces par ajout de particules.

This work focuses on the capillary flow of granular suspensions. Suspensions, heterogeneous mixtures of particles in a fluid, are ubiquitous in our environment and in the industry (blood, avalanches, cosmetics, cement). Granular suspensions are used when particle agitation is negligible. Unlike most studies dealing with large volumes of surface-air suspensions, my research focuses on millimeter flows of suspensions coupled to a dynamic interface. These flows are then called capillary flows because they are dominated by capillary forces at the interface. The suspended particles then interact with an interface that confines them more or less according to their size. My approach, based on experience, is deepened by theoretical reflections on the key ingredients of modeling these systems. First, I studied how these suspensions spread over a surface and showed that particles can be used as probes to understand how energy dissipation occurs in the liquid by cleverly playing with their size. Thus, my work enriches our knowledge of granular suspensions, but also of dynamic anchoring in general. In particular, I have shown experimentally that the classical laws of Tanner and Cox-Voinov still hold provided one uses effective viscosities that can depend on different parameters. My second project investigates the effect of particles in gravitationally unstable thin films. This Rayleigh-Taylor instability selects a more unstable hexagonal pattern for a continuous fluid characterized by wavelength and growth time. With the addition of particles, the instability is found to exhibit two regimes: for small particles, the instability differs from the simple fluid only in its growth rate. For larger particles, the instability is inhibited. In addition to deepening our understanding of these phenomena, these results pave the way for stabilizing thin films by adding particles.