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Soutenance de Thèse de Doctorat, Université Paris 7 PowerPoint PPT Presentation


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ECOULEMENT et BLOCAGE de SUSPENSIONS CONCENTREES. Soutenance de Thèse de Doctorat, Université Paris 7. Abdoulaye FALL. Sous la direction de Daniel Bonn LPS-ENS. Co-encadrant: Guillaume Ovarlez LMSGC. Les fluides complexes. Seuil d’écoulement. Suspensions colloïdales:.

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Soutenance de Thèse de Doctorat, Université Paris 7

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Presentation Transcript


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

ECOULEMENT et BLOCAGE de

SUSPENSIONS CONCENTREES

Soutenance de Thèse de Doctorat, Université Paris 7

Abdoulaye FALL

Sous la direction de Daniel BonnLPS-ENS

Co-encadrant: Guillaume Ovarlez LMSGC


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Les fluides complexes


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Seuil d’écoulement

Suspensions colloïdales:

Origines physiques:

Forces de répulsion,

Forces d’attraction,

(Born, Osmotique…)

(Van der Waals..)

Formation d’un fort réseau d’interaction

Suspensions non colloïdales de sphères dures:

Seuil: Contacts directs frictionnels

Ancey et Coussot (1999)

Lootens et al. (2002)

Apparition du seuil:

transition visqueux/frictionnel

Huang et al. (2005)

Mise en place du seuil?


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Le Rhéoépaississement

Suspensions colloïdales:

Suspensions non colloïdales de sphères dures:

Wagner (2003)


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Le Rhéoépaississement

Suspensions colloïdales:

Suspensions non colloïdales de sphères dures:

Mécanismes:

Percolation de clusters hydrodynamiques

Transition ordre – désordre

Brady; Morris; Bossis;

Wagner, Cates

Hoffman (1972)

Origine:

Forces hydrodynamiques ?


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

PLAN

Etude d’une suspension de Maïzéna

Etude d’une suspension modèle: billes de Polystyrène

Rhéoépaississement

Mise en place du Seuil


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

PLAN

Etude d’une suspension de Maïzéna

Etude d’une suspension modèle: billes de Polystyrène

Rhéoépaississement

Mise en place du Seuil


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

x

V

Ft

y

Quelques éléments de rhéologie

  • Contrainte:

  • Taux de cisaillement:

  • Viscosité:

  • Contrainte Normale:


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Comportement global de la maïzéna

Protocole - Géométrie

Grains de maïzéna

Suspension à 0.44

Plan-Plan


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Mesures locales: IRM

Avec François Bertrand

Moteur à vitesse contrôlée : 0.01 à 100 tour/min

Profils mesurés dans l’entrefer au sein de l’échantillon

Tranche de mesure: 4 cm hauteur, 1 cm largeur

Résolution radiale : 0.6 – 1.3 mm.

(Couette, Ri = 4.2 cm, Entrefer = 1.8 cm)

Mesure desProfils de vitesseV(R)durant2 s minimum.

Mesure desProfils de Concentration φ(R)(2 min 30 s: Moyennage de 32 à 128 configurations)


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Cylindre extérieur

Cylindre intérieur

2

2pHR

Seuil d’écoulement

c

Profils de vitesse: localisation

Avant le rhéoépaississement


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Loi de Puissance tronquée

Le Rhéoépaississement apparaît à la fin de la localisation

Loi d’écoulement locale

Jamming


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Le Rhéoépaississement apparaît à la fin de la localisation

Pas de Migration avant l’établissement du rhéoépaississement

Loi d’écoulement locale

Profils de concentration

Jamming

Cylindre extérieur

Cylindre intérieur


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Zone morte: au repos

Mécanisme ?

Rôle de la zone morte

Localisation


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Rôle du Réservoir

Protocole - Géométrie


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Surplus

Rôle du Réservoir

Protocole - Géométrie

Amortisseur + Retardateur


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Effet du confinement

Protocole - Géométrie

Entrefer variable


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Surplus

Effet du confinement

Protocole - Géométrie


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Poussée Contraintes Normales (N1)

Dilatance?


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Fn = 0

Dilatation libre

Protocole - Géométrie

Entrefer = paramètre libre


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Fn = 0

Dilatation libre

Protocole - Géométrie

Variation de l’entrefer


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

4.95

4.63

Réservoir de Dilatance

Rhéoépaississement Dilatance de Reynolds

Mécanisme

Protocole - Géométrie


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

PLAN

Etude d’une suspension de Maïzéna

Etude d’une suspension Modèle: billes de Polystyrène

Rhéoépaississement

Rhéoépaississement

Mise en place du Seuil


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Système modèle

  • Micro – billes de Polystyrène :

Suspension iso-denses

  • Solution d’Iodure de Sodium :

Particules lisses hydrophobes (Ajout de quelques gouttes de tensioactif)


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

3

Dr = 0.00 g/cm

Apport de l’IRM

Protocole - Géométrie

Suspensions à φ= 0.6

Billes

40 mm

W =Constante

(150 secondes)

Cylindre intérieur

Cylindre extérieur

Pas de Localisation  Pas de Seuil

Couette – IRM


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

W

Localisation

3

Dr = 0.00 g/cm

Apport de l’IRM

Protocole - Géométrie

Suspensions à φ= 0.6

Billes

40 mm

W =Constante

(150 secondes)

Cylindre intérieur

Cylindre extérieur

Rhéoépaississement  Localisation

Couette – IRM


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

3

Dr = 0.00 g/cm

Migration Rhéoépaississement ?

Apport de l’IRM

Protocole - Géométrie

  • Profils de Concentration: j (R)

Suspensions à φ= 0.6

Billes

40 mm

W =Constante

(150 secondes)

Cylindre intérieur

Cylindre extérieur

Couette – IRM


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Migration - Rhéoépaississement

Protocole - Géométrie

  • Géométrie de Couette

Montée - descente

Blocage


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Migration - Rhéoépaississement

  • Géométrie de Couette: Lois locales


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Migration - Rhéoépaississement

  • Géométrie de Couette: Lois locales


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Migration - Rhéoépaississement

  • Géométrie de Couette: Lois locales


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Migration - Rhéoépaississement

  • Géométrie de Couette: Lois locales


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Migration blocage local

Migration - Rhéoépaississement

  • Géométrie de Couette: Lois locales


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

PLAN

Etude d’une suspension de Maïzéna

Etude d’une suspension modèle: billes de Polystyrène

Rhéoépaississement

Mise en place du Seuil

Mise en place du Seuil


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Système modèle

  • Micro – billes de Polystyrène :

Effet du Contraste de densité

  • Solution d’Iodure de Sodium :

Particules lisses hydrophobes (Ajout de quelques gouttes de tensioactif)


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Gravité : source de confinement

Protocole - Géométrie

Suspensions à φ= 0.6

Billes

40 mm

  • = Constante

    (300 secondes)

Écoulement permanent: Pas de seuil


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Gravité : source de confinement

Protocole - Géométrie

Suspensions à φ= 0.6

Billes

40 mm

  • = Constante

    (300 secondes)


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Gravité : source de confinement

Protocole - Géométrie

Suspensions à φ= 0.6

Billes

40 mm

  • = Constante

    (300 secondes)


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Gravité : source de confinement

Protocole - Géométrie

Suspensions à φ= 0.6

Billes

40 mm

  • = Constante

    (300 secondes)

  • Contraste de densité :

  • Bifurcation de viscosité : Arrêt de l’écoulement


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Suspensions à φ= 0.6

Dr = 0.25 g.cm

3

Gravité : source de confinement

Protocole - Géométrie

Billes

40 mm

  • = Constante


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Contacts

Crémage – Consolidation


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Validation par IRM

  • Profils de vitesse : localisation ?

Suspensions à φ= 0.6

Pas de localisation

 Pas de Seuil

Billes

40 mm

Dr = 0.00

W =Constante

(150 secondes)

Localisation

 Seuil

Dr = 0.15

Couette – IRM


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Conclusion

Deux Mécanismes différents de blocage

Fort cisaillement

Rhéoépaississement blocage

Migration instantanéeLocalisation

Lubrification  Friction (Macro)

Faible cisaillement:

Localisation:

Critère:Consolidation

Critère:Dilatance


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Remerciements

  • Institut Navier

Philipe Coussot,

François Bertrand, Stéphane Rodts et Anaël Lemaître

  • Laboratoire de Physique Statistique, Ecole Normale Supérieure (Paris)

Jacques Meunier,

Nicolas Huang, Peder Möller, Christophe Chevalier et Sébastien Moulinet

Merci de votre attention!


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Fond Réservoir

Réservoir de Dilatance?

Protocole - Géométrie


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

m = 0.61

Régime frictionnel

Nature de la transition


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Migration - Rhéoépaississement

Protocole - Géométrie

  • Géométrie plan-plan

Montée - descente

Blocage


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Effet de la Concentration


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Yield Stress and Shear banding

Seuil d’écoulement


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Réservoir de Dilatance

Rhéoépaississement: Suspensions modèles

Protocole - Géométrie

  • Effet du confinement

Suspensions adaptées en densité à φ= 0.6

Rôle d’amortisseur

+

Retardateur


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Contraintes normales << % Maïzéna

Rhéoépaississement: Suspensions modèles

Protocole - Géométrie

  • Effet du confinement

Suspensions adaptées en densité à φ= 0.6


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Conditions expérimentales

Suspension de sphères dures à Température ambiante

Suspensions

  • Fécule de maïs :

Pas de sédimentation ni de crémage pendant plusieurs heures.

  • Solution de Chlorure de Césium :

Rhéométrie

  • Macroscopique : Bohlin C – VOR 200

 Mesure de Viscosité et de Couple dans l’échantillon pour différentes géométries (Couette, Plan – plan et Cône – plan)

Mesure de Contraintes Normales

  • Locale : IRM

Mesure des Profils de vitesse et de Concentration dans l’entrefer pendant l’écoulement


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

C

Comportement local: visqueux

Migration - Rhéoépaississement

  • Géométrie de Couette

Mesures de Couple:

Mesures de Vitesse:

Mesures de

Concentration:


Soutenance de th se de doctorat universit paris 7

Le crémage macroscopique

n’est pas à l’origine du seuil

Validation par IRM

Profils de Concentration : j (R)

Profils de Concentration : j (z)

Localisation n’est pas induite pas une hétérogénéité de concentration

T crémage >> T localisation, T seuil

Contacts

Equilibre

Consolidation

Crémage


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