Modélisation de fluides rhéologiquement évolutifs.

Modeling of rheologically evolving fluids.

• Auteur / Autrice : Adilson Samba
• Direction : Cécile Lemaitre, Philippe Marchal
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie des Procédés, des Produits et des Molécules
• Date : Inscription en doctorat le 05/10/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : SIMPPÉ - SCIENCES ET INGENIERIES DES MOLECULES, DES PRODUITS, DES PROCEDES ET DE L'ÉNERGIE
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LRGP - Laboratoire Réactions et Génie des Procédés
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Axe 5 - GENIE DES PRODUITS

Mots clés

Mots clés libres

Thixotropie

Rhéologie

Suspensions

Mécanique des fluides non newtoniens

Thixotropy

Rheology

Suspensions

Mechanics of non-newtoiniens fluids

Résumé

De nombreux produits industriels présentent un comportement rhéologique complexe tel que la rhéofluidification, la viscoélasticité ou la thixotropie. On en trouve notamment dans les domaines de la cosmétique (crèmes, rouges-à-lèvre, etc.), des produits d'hygiène (dentifrice, gels douches, shampooings, etc.), de l'agroalimentaire (sauces, purées, soupes, etc.) et du BTP (peintures, bétons, bitumes, etc.). Pour maîtriser la fabrication de ces produits et pour leur conférer des propriétés d'usage souhaitées, il faut comprendre leur comportement rhéologique. La thixotropie se manifeste par une diminution de la viscosité du matériau au cours du temps sous sollicitation constante. Beaucoup de produits industriels sont concernés, comme les peintures, les ciments ou le dentifrice. Ces produits sont souvent des dispersions de particules ou de macromolécules aux seins desquelles des interactions faibles produisent un réseau tridimensionnel structuré. Sous l'effet d'une sollicitation, le réseau se brise – il y a déstructuration – conduisant à un écoulement facilité du fluide et donc à un abaissement de sa viscosité. Cette déstructuration n'est pas instantanée : elle suit une cinétique souvent décrite par une équation différentielle du premier ordre, Mewis (2009). A cette cinétique structurelle est associée un modèle de comportement rhéologique, tel que le modèle Houska (1981) pour des fluides thixotropes à seuil. Le comportement rhéologique des fluides non newtoniens fait l'objet de nombreuses études car la connaissance de leurs modalités d'écoulement est nécessaire à l'optimisation de nombreux procédés industriels. Cependant, la modélisation structurelle et la simulation numérique des fluides thixotropes reste un sujet en plein développement. Billingham (1993) a étudié l'écoulement tubulaire permanent de bentonite ; Wachs (2009) s'est intéressé à l'écoulement transitoire d'un pétrole thixotrope en tuyau ; plus récemment Ardakani (2014) a modélisé l'extrusion de dentifrice, de chocolat et de PTFE. Lors de cette thèse, plusieurs matériaux thixotropes, fluides commerciaux et fluides formulés au laboratoire, seront modélisés. Des modèles similaires à ceux de Mewis (2009) et Houska (1981) seront élaborés pour décrire de comportement rhéologique de ces matériaux. Les paramètres rhéologiques seront déterminés à partir d'expériences réalisées sur des rhéomètres rotatifs disponibles au LRPG. Ces modèles seront ensuite couplés aux équations de conservation de la masse et de la quantité de mouvement pour simuler l'écoulement de ces fluides. Les codes de calcul de mécanique des fluides numérique tels que le logiciel ANSYS Fluent (logiciel commercial) et Openfoam (logiciel open source) seront utilisés. L'écoulement au sein d'une cellule de mesure de rhéomètre sera d'abord simulé et le couple calculé sera comparé au couple mesuré expérimentalement en fonction de la vitesse de rotation imposée et du temps, ce qui permettra une première validation du code de calcul. Des mesures de RMN (Résonance Magnétique Nucléaire) seront réalisées en collaboration avec le LEMTA. Les champs et profils de vitesse ainsi obtenus seront comparés aux simulations numériques. L'écoulement des fluides au sein de procédés sera ensuite considéré. Nous nous intéresserons ainsi à des dispositifs de type cuve agitée et ainsi qu'à des géométries tubulaires (écoulement en conduite). L'évolution rhéologique des fluides dans le temps et dans l'espace sera étudiée. Les modèles élaborés pour le cas de fluides thixotropes seront enfin adaptés pour représenter des fluides réactifs dont la rhéologie varie sous l'effet d'un changement de composition consécutif à une réaction chimique. Pour prendre en compte cette réaction, des équations de cinétique chimique seront couplées aux équations de transport des constituants. La loi de comportement rhéologique, fonction de la concentration des constituants, sera prise en compte dans les équations de conservation de la masse et de la quantité de mouvement. Ces équations fortement couplées pourront être résolues pour simuler certaines opérations industrielles mettant en œuvre des fluides rhéologiquement complexes.

Many industrial products exhibit complex rheological behaviors such as shearthinning, viscoelasticity or thixotropy. They can be found in particular in the fields of cosmetics (creams, lipsticks, etc.), hygiene products (toothpaste, shower gels, shampoos, etc.), the food industry (sauces, purees, soups , etc.) and construction (paints, concrete, bitumens, etc.). In order to master the manufacture of these products and to give them the desired use properties, it is necessary to understand their rheological behavior. Thixotropy is manifested by a decrease in the viscosity of the material over time under constant stress. Many industrial products, such as paints, cements or toothpaste, show this behavior. These products are often dispersions of particles or macromolecules within which weak interactions produce a structured three-dimensional network. Under the effect of a stress, the network breaks – destructuration occurs- leading to facilitated flow of the fluid and therefore to a lower viscosity. This destructuration is not instantaneous: it follows a kinetics often described by a first order differential equation, Mewis (2009). A rheological behavior model is associated with this structural kinetics, such as the Houska model (1981) for thixotropic threshold fluids. The rheological behavior of non-Newtonian fluids is the subject of numerous studies because knowledge of their flow modalities is necessary for the optimization of many industrial processes. However, structural modeling and numerical simulation of thixotropic fluids remains a subject in full development. Billingham (1993) studied the permanent tubular flow of bentonite; Wachs (2009) investigated the transient flow of thixotropic oil in a pipe; more recently Ardakani (2014) modeled the extrusion of toothpaste, chocolate and PTFE. During this PhD, several thixotropic materials, commercial fluids and fluids formulated in the laboratory, will be modeled. Models similar to those of Mewis (2009) and Houska (1981) will be developed to describe the rheological behavior of these materials. The rheological parameters will be determined from experiments carried out on rotary rheometers available at the LRPG. These models will then be coupled with the conservation equations of mass and momentum to simulate the flow of these fluids. Computational fluid mechanics codes such as ANSYS Fluent software (commercial software) and Openfoam (open source software) will be used. The flow within a rheometer measurement cell will first be simulated and the calculated torque will be compared with the experimentally measured torque as a function of the imposed rotational speed and time, which will allow a first validation of the calculation code. NMR (Nuclear Magnetic Resonance) measurements will be carried out in collaboration with LEMTA. The obtained fields and velocity profiles will be compared to numerical simulations. The flow of fluids within processes will then be considered. We will thus be interested in agitated tank type devices and also in tubular geometries (pipe flow). The rheological evolution of fluids in time and space will be studied. The models developed for the case of thixotropic fluids will finally be adapted to represent reactive fluids which rheology varies under the effect of a change in composition following a chemical reaction. To take this reaction into account, chemical kinetics equations will be coupled to the constituent transport equations. The rheological constitutive law, function of the concentration of constituents, will be injected into the conservation equations of mass and momentum. These strongly coupled equations will be solved to simulate certain industrial operations involving rheologically complex fluids.