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Soutenance de Thèse de Doctorat, Université Paris 7

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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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Presentation Transcript
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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

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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?

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Le Rhéoépaississement

Suspensions colloïdales:

Suspensions non colloïdales de sphères dures:

Wagner (2003)

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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 ?

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PLAN

Etude d’une suspension de Maïzéna

Etude d’une suspension modèle: billes de Polystyrène

Rhéoépaississement

Mise en place du Seuil

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PLAN

Etude d’une suspension de Maïzéna

Etude d’une suspension modèle: billes de Polystyrène

Rhéoépaississement

Mise en place du Seuil

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x

V

Ft

y

Quelques éléments de rhéologie

  • Contrainte:
  • Taux de cisaillement:
  • Viscosité:
  • Contrainte Normale:
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Comportement global de la maïzéna

Protocole - Géométrie

Grains de maïzéna

Suspension à 0.44

Plan-Plan

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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)

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Cylindre extérieur

Cylindre intérieur

2

2pHR

Seuil d’écoulement

c

Profils de vitesse: localisation

Avant le rhéoépaississement

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Loi de Puissance tronquée

Le Rhéoépaississement apparaît à la fin de la localisation

Loi d’écoulement locale

Jamming

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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

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Zone morte: au repos

Mécanisme ?

Rôle de la zone morte

Localisation

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Rôle du Réservoir

Protocole - Géométrie

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Surplus

Rôle du Réservoir

Protocole - Géométrie

Amortisseur + Retardateur

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Effet du confinement

Protocole - Géométrie

Entrefer variable

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Surplus

Effet du confinement

Protocole - Géométrie

slide20

Fn = 0

Dilatation libre

Protocole - Géométrie

Entrefer = paramètre libre

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Fn = 0

Dilatation libre

Protocole - Géométrie

Variation de l’entrefer

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4.95

4.63

Réservoir de Dilatance

Rhéoépaississement Dilatance de Reynolds

Mécanisme

Protocole - Géométrie

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PLAN

Etude d’une suspension de Maïzéna

Etude d’une suspension Modèle: billes de Polystyrène

Rhéoépaississement

Rhéoépaississement

Mise en place du Seuil

slide24

Système modèle

  • Micro – billes de Polystyrène :

Suspension iso-denses

  • Solution d’Iodure de Sodium :

Particules lisses hydrophobes (Ajout de quelques gouttes de tensioactif)

slide25

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

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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

slide27

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

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Migration - Rhéoépaississement

Protocole - Géométrie

  • Géométrie de Couette

Montée - descente

Blocage

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Migration - Rhéoépaississement

  • Géométrie de Couette: Lois locales
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Migration - Rhéoépaississement

  • Géométrie de Couette: Lois locales
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Migration - Rhéoépaississement

  • Géométrie de Couette: Lois locales
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Migration - Rhéoépaississement

  • Géométrie de Couette: Lois locales
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Migration blocage local

Migration - Rhéoépaississement

  • Géométrie de Couette: Lois locales
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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

slide35

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)

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Gravité : source de confinement

Protocole - Géométrie

Suspensions à φ= 0.6

Billes

40 mm

  • = Constante

(300 secondes)

Écoulement permanent: Pas de seuil

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Gravité : source de confinement

Protocole - Géométrie

Suspensions à φ= 0.6

Billes

40 mm

  • = Constante

(300 secondes)

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Gravité : source de confinement

Protocole - Géométrie

Suspensions à φ= 0.6

Billes

40 mm

  • = Constante

(300 secondes)

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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
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Suspensions à φ= 0.6

Dr = 0.25 g.cm

3

Gravité : source de confinement

Protocole - Géométrie

Billes

40 mm

  • = Constante
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Contacts

Crémage – Consolidation

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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

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Conclusion

Deux Mécanismes différents de blocage

Fort cisaillement

Rhéoépaississement blocage

Migration instantanéeLocalisation

Lubrification  Friction (Macro)

Faible cisaillement:

Localisation:

Critère:Consolidation

Critère:Dilatance

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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!

slide45

Fond Réservoir

Réservoir de Dilatance?

Protocole - Géométrie

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m = 0.61

Régime frictionnel

Nature de la transition

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Migration - Rhéoépaississement

Protocole - Géométrie

  • Géométrie plan-plan

Montée - descente

Blocage

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Yield Stress and Shear banding

Seuil d’écoulement

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Réservoir de Dilatance

Rhéoépaississement: Suspensions modèles

Protocole - Géométrie

  • Effet du confinement

Suspensions adaptées en densité à φ= 0.6

Rôle d’amortisseur

+

Retardateur

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Contraintes normales << % Maïzéna

Rhéoépaississement: Suspensions modèles

Protocole - Géométrie

  • Effet du confinement

Suspensions adaptées en densité à φ= 0.6

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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

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C

Comportement local: visqueux

Migration - Rhéoépaississement

  • Géométrie de Couette

Mesures de Couple:

Mesures de Vitesse:

Mesures de

Concentration:

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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

ad