Thèse en cours

Étude expérimentale de la dynamique de suspensions complexes et de leurs instabilités en écoulement de Taylor Couette
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Auteur / Autrice : Masoud Moazzen
Direction : Vincent Thomy
Type : Projet de thèse
Discipline(s) : Mécanique des fluides
Date : Inscription en doctorat le 01/03/2019
Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Lille Douai
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie

Résumé

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Les fluides complexes se rencontrent dans de nombreuses applications (cosmétiques agricoles, etc..) ainsi que dans la nature. En raison de la présence d'éléments d'échelle intermédiaire, appelés mésoscopiques, ils ne présentent pas une réponse linéaire en fonction de la contrainte exercé. Des études fondamentales dans une géométrie simplifiée sont nécessaires pour comprendre la stabilité et les régimes d'écoulement de ces types de fluides. Dans cette thèse, nous avons choisi d'utiliser la géométrie de Taylor-Couette (TC) constituée de deux cylindres coaxiaux, positionnés verticalement, avec le cylindre intérieur en rotation et le cylindre extérieur immobile. Nous avons étudié, en TC, les écoulements de 3 types de fluides complexes : suspension non colloïdale dans une matrice Newtonienne, fluides viscoélastiques, et en perspective, une combinaison des deux. L'utilisation d'un système TC monté sur un rhéomètre permet une visualisation directe de l'écoulement simultanément à la mesure du couple, et ainsi la caractérisation expérimentale des propriétés spatio-temporelles et frictionnelles des écoulements. Le chapitre 2 est consacré aux suspensions non colloïdales à matrice Newtonienne. Un régime d'écoulement spécifique, Spiral Vortex Flow (SVF), peut y être rencontré avant des transitions classiques pour les fluides Newtoniens. Il correspond à un minimum du coefficient de friction. Si la nature de la bifurcation primaire dépend de la concentration en particules phi, les bifurcations secondaires et tertiaires restent toujours sous-critiques. La présence de particules module la fréquence caractéristique du régime instationnaire. 3 régimes hydrodynamiques de concentration sont identifiés, avec des comportements dynamiques distincts. Dans le chapitre 3 consacré aux fluides viscoélastiques en écoulement élasto-inertiel, des solutions de polymère dilué à viscosité constante sont étudiées. Il y est montré que le couple nécessaire pour faire tourner le cylindre intérieur augmente avec l'augmentation de la viscosité apparente du fluide mais la diminution du frottement sur le cylindre intérieur est la même qu'en régime laminaire. Sous l'effet d'une élasticité modérée, on observe une transition directe vers un régime de Turbulence Elasto-Inertielle (EIT) pour cp > 25 ppm. Plus on augmente la concentration de polymère, plus on accélère la transition vers le régime EIT. Celui-ci est caractérisé par des spectres temporels sans pics distincts. Les densités spectrales de puissance spatiale suggèrent une universalité du comportement spectral de l'EIT. La transition vers le régime EIT se fait avec une forte augmentation du nombre de Nusselt, N, et du coefficient de friction CMz lorsque la concentration en polymère est élevée, puis avec une tendance vers une asymptote en augmentant Re et El. Ces comportements semblent indiquer un rôle limité des structures secondaires de l'écoulement dans la dissipation de l'énergie, qui est alors assurée préférentiellement par les chaînes de polymère. Dans la dernière partie de ce chapitre, une étude préliminaire sur les écoulements fluides viscoélastiques en présence de particules est présentée. Enfin, en guise de perspective, l'utilisation de suspensions complexes comme fluides de transfert de chaleur innovant est présentée en ouverture.