Étalements de fluides à seuil

Coatings of yield stress fluids

• Auteur / Autrice : Mathilde Maillard
• Direction : Philippe Coussot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Soutenance le 28/09/2015
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Navier (Paris-Est) - Laboratoire Navier / NAVIER UMR 8205
• Jury : Président / Présidente : Guillaume Ovarlez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Coussot, Benjamin Dollet, Pierre Saramito
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Clanet, Sébastien Manneville

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cisaillement (mécanique)

Vélocimétrie par images de particules

Dynamique des fluides

Mots clés libres

Fluide à seuil

Enduction par trempage

Étalement

Piv

Simulations numériques

Yield stress fluid

Dip-Coating

Blade-Coating

Piv

Numerical simulations

Résumé

Les fluides à seuil sont des matériaux utilisés dans de nombreux procédés industriels au cours desquels ils sont mis en écoulement via leur interaction avec des outils solides. Afin de mieux comprendre comment ils s'étalent sur des surfaces, nous avons étudié d'une part leur enduction verticale sur une plaque mince et d'autre part leur étalement horizontal à l'aide d'une lame. Ces deux études se sont appuyées sur des mesures macroscopiques permettant de suivre la force appliquée à l'outil et des mesures microscopiques de PIV pour déterminer les champs de vitesse dans le matériau. Après confirmation de leur validité par comparaison avec nos résultats expérimentaux, des simulations numériques basées sur la programmation conique ont permis de préciser les écoulements en jeu. Pour l'enduction par trempage, nous observons que dans notre gamme d'étude, le dépôt de fluide à seuil sur la plaque est millimétrique et d'épaisseur constante, sauf aux extrémités. Selon le rapport des forces visqueuses et plastiques, l'enduction est régie par un équilibre "seuillo-gravitaire" ou "visco-gravitaire". Nous avons ensuite caractérisé l'écoulement généré dans le bain par le déplacement de la plaque afin d'expliciter l'origine du phénomène d'enduction. Les simulations numériques précisent la forme de cet écoulement. L'étalement horizontal dans un canal à l'aide d'une lame mince conduit au déplacement d'un amas de fluide faiblement cisaillé par rapport à une région de fluide au repos, par l'intermédiaire d'une couche cisaillée. Nous montrons qu'un modèle simple permet de prédire la dynamique de croissance de l'amas et la relie à la force normale à la lame

Yield stress fluids are used in various industrial processes in which solid tools make them flow. To have a better understanding on how they spread on surfaces, we first studied the vertical coating on a thin plate and then the horizontal blade-coating. Both studies are based on macroscopic measures recording the force applied on the plate and on the microscopic determination on the velocity fields in the fluid by PIV. Numerical simulations based on cone programming, which validity had been confirmed in comparison to our experimental results, specified the flows at stake. In dip-coating, we observed than within our framework, the yield stress fluid deposit on the plate is millimetric and of constant thickness, except on the tips. According to the value of the viscous over plastic forces ratio, the coating is led by a "yield-gravity" or a "visco-gravity" balance. Then, we characterized the flow generated in the bath by the plate displacement in order to clarify the origin of the coating phenomenon. The numerical simulations specified the flow characteristics. The horizontal blade-coating in a channel involves the displacement of a weakly sheared cluster of fluid in relation to a part of fluid at rest, through a sheared layer. We showed that the growing dynamic of the cluster is described with a simple model which links it to the normal force to the plate