Experimental study of dense suspension flow under cone-plate device

par Wei Zhu

Thèse de doctorat en Mécanique et Physique des Fluides

Sous la direction de Valérie Deplano et de Yannick Knapp.

Soutenue le 14-10-2016

à l'Ecole centrale de Marseille , dans le cadre de Ecole Doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille) , en partenariat avec Institut de Recherche sur les Phénomènes Hors Equilibre (Marseille) (laboratoire) et de Institut de Recherche sur les Phénomènes Hors Equilibre / IRPHE (laboratoire) .

Le jury était composé de Cécile Legallais, Nadine Mourougou-Candoni.

Les rapporteurs étaient Stéphane Nottin, Cécile Legallais.

  • Titre traduit

    Etude des suspensions denses de particules sous un écoulement cône-plan


  • Résumé

    Par rapport à un fluide Newtonien, les suspensions denses de particules présentent des propriétés rhéologiques différentes. Des comportements rhéofluidifiants ou rhéoépaississants liés à des phénomènes de migration de particules peuvent apparaitre. Pour des suspensions, le taux de cisaillement, la concentration et la taille des particules ont une grande influence sur ce comportement rhéologique (Denn et Morris 2014). Pour observer l'influence de ces facteurs, l'un des meilleurs moyens est de disposer d’un système simple dans lequel tous les facteurs mentionnés ci-dessus sont bien contrôlés. Ceci peut être réalisé par le développement d'une plate-forme expérimentale, sur laquelle les comportements d'écoulement de suspension (profil de vitesse et concentration locale de particules) à des vitesses de cisaillement et des concentrations de particules bien contrôlées peuvent être étudiés. Dans l'étude actuelle, 4 tâches ont été réalisées :1) Le développement d'une nouvelle formulation pour la préparation d’une suspension adaptée en indice de réfraction et en densité basée sur des particules de PMMA. 2) Le développement d'un dispositif expérimental consacré à l'étude des flux de suspension dense sous une large gamme de taux de cisaillement constant. 3) La caractérisation des profils de vitesse des flux de suspension dense sous un dispositif cône-plan utilisant des techniques de micro-PIV. 4) Une mesure préliminaire de la concentration locale de particules de la suspension sous écoulement cône-plan en utilisant des méthodes de traitement d'image.


  • Résumé

    Compared to general Newtonian fluids, highly concentrated mixtures of particles and fluid, so called dense suspensions, have different rheological properties and fluid dynamic behaviors. Such as, shear-thinning or shear-thickening effect, and apparent slip and particle migration behaviors under certain shear flow conditions. These properties are related to the application of suspension flow in real systems, for example, the blood.For suspensions, shear rate, particle concentration and particle size have a big influence of on their rheological behaviors (Denn and Morris 2014). To observe the influence of these factors, one of the best ways is to start the research from a simple case in which all the above mentioned factors are well controlled. This can be realized by developing such an experimental platform, on which the suspension flow behaviors (velocity profile and local particle concentration) at different shear rates and particle concentrations can be investigated.In the current study, 4 tasks were achieved:1) The development of a new recipe for the preparation of density and refractive index matched suspension with PMMA particles. 2) The development of an experimental set-up devoted to the investigation of dense suspension flow under a large range of constant shear rate. 3) The characterization of the velocity profiles of dense suspension flows under a cone-plate device by using micro-PIV techniques.4) A preliminary measurement of the local particle concentration of the suspension flow by using image processing techniques.


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