Dynamics and rheology of concentrated suspensions of rigid fibers

par Saif Shaikh

Thèse de doctorat en Mécanique et physique des fluides

Sous la direction de Elisabeth Guazzelli et de Jason E. Butler.

Le président du jury était Anke Lindner.

Le jury était composé de Jason E. Butler.

Les rapporteurs étaient Élisabeth Lemaire.

  • Titre traduit

    Dynamique et rhéologie des fibres en suspension


  • Résumé

    Une étude combinant expériences et analyses est menée afin de rationaliser la dynamique et la rhéologie des suspensions très concentrées de fibres rigides, non colloïdales dans un fluide newtonien. Des mesures rhéologiques couplées à des mesures de la microstructure sont réalisées à l’aide de plusieurs dispositifs expérimentaux permettant d’analyser différents types de géométries et d’écoulements. Des expériences de rhéologie standards (rhéologie à volume contrôlé), ainsi qu’une méthode de rhéologie non-conventionnelle (rhéologie à pression contrôlée) sont associées afin de mesurer la contrainte de cisaillement, la pression de la phase particulaire et la fraction volumique des suspensions très concentrées. Un autre dispositif expérimental a été conçu dans le but d’étudier la microstructure (distribution spatiale et distribution d’orientations) d’une suspension de fibres rigides dans un écoulement de Poiseuille oscillant. Alors que ce type d’écoulement est réversible pour un liquide newtonien, dans le cas d’une suspension concentrée, les interactions entre particules introduisent des changements irréversibles de microstructure. Cette microstructure est affectée et a un effet sur l’écoulement imposé, cette dépendance non-linéaire incluant les interactions hydrodynamiques. L’objectif de ces expériences est d’apporter un éclairage sur des effets tels que la rhéofluidification observée à fort taux de cisaillement et sur le démixage dû à la migration induite par cisaillement.


  • Résumé

    A combined work of experiments and data analyses is proposed to investigate the dynamics and rheology of highly concentrated suspensions of non-colloidal rigid rods in a Newtonian fluid. Detailed measurements of the rheology and the microstructure are made using a variety of experimental devices with different geometries and imposed flows. Standard rheology experiments (volume-controlled rheology), as well as a novel method of rheometry, are carried out to measure torques, particle pressures, and volume fractions at high concentration (pressure-controlled rheology). Another experiment has been designed and constructed to study the microstructure (spatial and orientation distribution) of a suspension of rigid rods in an oscillatory parabolic flow. Though the flow is reversible in these systems, the changes in the microstructure are irreversibile in the case of concentrated suspensions due to particle interactions. The microstructure is affected by, and has an effect, on the imposed flows; this non-linear dependency includes hydrodynamic interactions. The purpose of these experiments is to gain insight into phenomena such as apparent shear-thinning at high shear rates and demixing due to shear-induced migration.

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