Hydrodynamique dans les simulations de suspensions colloïdales

par Tomilov Andrey

Thèse de doctorat en Matériaux céramiques et traitements de surface

Sous la direction de Arnaud Videcoq et de Thierry Chartier.

Soutenue en 2013

à Limoges , en partenariat avec Université de Limoges. Faculté des sciences et techniques (autre partenaire) .

mots clés

• Coefficient de diffusion
• Cinétique d'agrégation
• Technique SRD-MD
• Dynamique brownienne
• Yep-bd
• Hydrodynamique -- Thèses et écrits académiques
• Colloïdes -- Thèses et écrits académiques
• Silice -- Thèses et écrits académiques

Résumé

Cette thèse est consacrée à l'étude numérique des suspensions colloïdales diluées et concentrées, où les interactions hydrodynamiques (IH) jouent un rôle important. Pour cela, des simulations numériques basées sur la technique hybride "stochastic rotation dynamics - molecular dynamics" (SRD-MD) ont été effectuées. Cette technique permet d'inclure efficacement les IH. L'étude du coefficient de diffusion des colloïdes en fonction de la fraction volumique colloïdes fait l'objet de la première partie de cette thèse. Les choix des paramètres de la simulation SRD-MD et des différentes échelles (longueur, masse et temps) sont adaptés à le simulation de supensions colloïdales sur conditions réalistes. Les résultats obtenus ont été comparés à certaines prédictions théoriques, à des résultats obtenus par d'autres techniques de simulation (accelerated Stokesian dynamics, lattice-Boltzmann et dissipative particle dynamics), ainsi qu'à des résultats expérimentaux. L'étude a montré que notre implémentation de la SRD-MD permet à plusieurs égards de correctement décrire l'hydrodynamique dans les suspensions colloïdales simulées : l'effet de taille finie de la boîte de simulation et le comportement diffusif aux temps courts sont bien reproduits. Dans la deuxième partie de cette thèse, le rôle de l'hydrodynamique dans les processus d'agrégation de particules colloïdales monodisperses, soumises à des interactions fortement attractives, est étudié pour une fraction volumique en colloïdes allant de 2,5 à 20%. Une attention particulière est accordée à l'étude de la cinétique d'agrégation (évolution temporelle de la taille des agrégats, du nombre de particules libres, etc. . . ) et du coefficient de diffusion de petits agrégats. Pour cela, trois techniques de simulation sont comparées : la dynamique brownienne (avec et sans IH) et la SRD-MD. Il est démontré que l'inclusion des IH n'a pas une grande influence sur le processus d'agrégation dans son ensemble : le temps auquel un seul cluster est obtenu dans la simulation est essentiellement le même avec les trois techniques. Toutefois, les IH ralentissent la formation de dimères dans la première étape de nucléation et accélèrent la coalescence des agrégats dans la seconde phase du processus, parce qu'elles augmentent le coefficient de diffusion des agrégats. Il est aussi montré que les IH ralentissent la cinétique de réorganisation de trimères.

Titre traduit

Hydrodynamics in simulations of colloidal suspensions

Résumé

This thesis is dedicated to the numeral study of colloidal suspensions under dilute and crowded conditions, where hydrodynamics interactions play an important role. For this purpose, computer simulations based on the hydrid stochastic rotation dynamics-molecular dynamics (SRD-MD) technique, which solves efficiently the hydrodynamics of colloids embedded in a liquid, are carried out. A study of the colloidal tracer diffusion coefficient as a function of the colloidal volume fraction is a subject of invertigation in the first part of this thesis. This choices for the SRD-MD simulation parameters and for the different scales (length, mass and time) are carefully adapted to simulate colloidal suspensions under realistic conditions. The results are compared with some theoretical predictions, and also with the results obtained by other simulation techniques (accelerated Stokesian dynamics, lattice-Boltzmann and dissipative particle dynamics), as well as this experimental results. The study shows, that our implementation of the SRD-MD allows describing carefully the hydrodynamics in simulated colloidal suspensions : the finite size effect of the simulation box and diffusive behavior in the short time are correctly reproduced. In the second part of this thesis the role of hydrodynamics interactions (HIs) in the aggregation process with strongly attractive monodisperse colloidal particles is studied for a colloid volume fraction ranging from 2. 5 to 20%. Special attention is paid to the study of aggregation kinetics (time evolution of the cluster size, the number of free particles, etc. ) and the diffusion coefficient of small aggregates. To this end, the comparison of the aggregation kinetics in between three simulation techniques is carried out : Brownian dynamics (with and without HIs) and SRD-MD. It is shown that the inclusion of HIs has no signifiant influence on the aggregation kinetics for the whole aggregation process, and the time at which a single cluster is obtained in the simulation is essentially the same process, and the time at which a single cluster is obtained int the simulation is essentially the same in the different techniques. However, HIs slow down the dimer formation in the nucleation stage and accelerate the aggregate coalescence in the second stage of the process, because of an increase of the cluster diffusion coefficients. It is also shown that HIs slow down the reorganization kinetics of trimers.