Ecoulement et blocage de suspensions concentrées
par Abdoulaye Fall
Thèse de doctorat en Rhéologie de la matière complexe, des fluides et matériaux industriels
Sous la direction de Daniel Bonn.
Soutenue en 2008
à Paris 7 .
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Résumé
Nous reportons ici le comportement rhéologique de suspensions concentrées de particules non browniennes de fécule de maïs ou de polystyrène sphériques et monodisperses. Le système modèle de particules de polystyrène est utilisé afin de contrôler les propriétés physicochimiques de la suspension. Ce travail expérimental s'articule autour de deux aspects rencontrés chez les fluides complexes : le seuil d'écoulement et le seuil de rhéoépaississement. Dans un premier temps, nous avons étudié l'origine du seuil d'écoulement. Nous avons, à partir de techniques de rhéologie classique et locale par IRM, montré que le seuil d'écoulement des suspensions modèles n'est observé que par l'introduction d'un contraste de densité entre les particules et le fluide suspendant. Ce contraste de densité introduit alors une consolidation à l'échelle des particules. Le seuil d'écoulement apparaît alors sans aucune sédimentation macroscopique de l'échantillon. Dans un second temps, nous avons étudié un phénomène de structuration dynamique, sous écoulement : le rhéoépaississement. Ainsi, en couplant des mesures macroscopiques originales (comme l'étude de l'influence de l'entrefer de la géométrie de mesure sur le comportement rhéoépaississant, et des mesures de dilatation volumique en fonction du taux de cisaillement) et des mesures locales des propriétés d'écoulement par IRM, nous montrons que le rhéoépaississement de la suspension de fécule de maïs est une conséquence directe de la dilatance de Reynolds. Par ailleurs, le système modèle, contrairement à la suspension de fécule de maïs, présente un rhéoépaississement qui est accompagné d'un régime de localisation qui devient responsable d'un blocage partiel de l'écoulement dans l'entrefer de la géométrie de Couette.
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Titre traduit
Flow and jamming of dense suspensions
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Résumé
We study the rheological behavior of concentrated suspensions of non-Brownian particles: cornstarch or mono-disperse spherical polystyrene beads. The latter model System is used to be able to control the physical properties of the suspension. We focus on two phenomena encountered in particle pastes: the yield stress and the shear thickening behavior. In a fïrst series of experiments we studied the origin of the yield stress. From classical rheology and local MRI velocimetry and density measurements we show that the origin of the yield stress for the model System of spherical beads is sedimentation, which we observe by introducing different contrasts in density between particles and fluid. The difference in density leads to a close packing of sedimenting or creaming particles, leading in turn to a yield stress. In a second series of experiments, we have studied a dynamical behaviour of the pastes under shear, focusing on the shear thickening. By coupling the original macroscopic measurements (the study of the influence of the gap size on the shear thickening behavior and the dilation effect as a function of the shear rate) and local flow properties measured by MRI, we show that the shear thickening of cornstarch suspension is a direct consequence of the Reynolds dilatancy. In addition, the model System, unlike the cornstarch suspension, presents a shear thickening which is accompanied by a shear localisation regime. This localisation regime becomes responsible for a partial jamming of the flow in the gap of our Couette cell.
