Rhéologie des suspensions non-browniennes : modèle de contact lubrifié et simulations par éléments discrets

Rheology of non-brownian suspensions : lubricated contact model and discrete elements simulations

• Auteur / Autrice : William Chèvremont
• Direction : Hugues Bodiguel, Bruno Chareyre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides Energétique, Procédés
• Date : Soutenance le 07/02/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire rhéologie et procédés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Élisabeth Lemaire
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Noël Roux, Bloen Metzger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rhéologie

Mots clés libres

Méthode des éléments discrets

Resuspension visqueuse

Modèle de contact lubrifié

Suspension

Rheology

Lubricated contact model

Suspension

Discrete element method

Viscous resuspension

Résumé

Les propriétés d'écoulement (i.e. la rhéologie) des suspensions dépendent essentiellement des différentes phases constituantes, ainsi que des interactions entre celles-ci. Dans ces milieux multiphasiques, la contrainte est d'origine multiple: interactions de contact, phase fluide ainsi qu’interaction fluide-particules.Au cours de ce travail de thèse, un modèle original de contact lubrifié a été développé, et a été validé sur différents cas-test à deux particules. Il a pour propriétés de régulariser la singularité présente au contact entre deux particules, et de prendre en compte des interstices extrêmement faibles. Le schéma de résolution numérique développé assure la stabilité numérique au cours de la résolution.En particulier, l'utilisation de ce modèle rend possible la simulation de suspensions de particules parfaitement lisses.Ce modèle a été introduit dans une formulation par éléments discrets (DEM) et utilisé pour la simulation d'expériences de rhéologie tel que le cisaillement simple, où un accord quantitatif avec les expériences est obtenu. Le rôle des contacts et plus particulièrement le rôle du coefficient de friction sur la rhéologie a été étudié. Ceci a permis notamment de proposer un nouveau modèle permettant de décrire la rhéologie des suspensions, à l'aide de la décomposition des contributions de contact et des forces de lubrification à la contrainte de cisaillement.Ensuite, il a été utilisé afin de simuler des expériences de resuspension visqueuse, qui conduisent à une modélisation des contraintes normales particulaires.

Flow properties (i.e. rheology) of suspensions depend upon constituent phases and interactions between them. For this kind of materials, stress has multiple origins: contact between particles, fluid flow and fluid-particles interactions.In this work, a new lubricated contact model has been developed and validated on several 2-particles test cases.This model regularizes singularity at contact, and takes care of very small gaps between particles. The numerical scheme developed ensure unconditional stability on time integration.Especially, this model is able to simulate two perfectly smooth particles.This model has been introduced into a DEM formulation and used to simulate simple shear experiments on suspensions. Flow behaviours agrees account quantitatively for available experimental data. The role of contacts between particles and of the friction coefficient have been extensively studied. It leads to a new model for the suspension rheology and for the jamming volume fraction. The model has also been used to study viscous resuspension, which enables the determination of the normal components of the particle stress.