Rhéologie


Thème 1 : Écoulements de fluides thixotropes - Mesures locales de vitesses et de contraintes dans les suspensions thixotropes

Thème 2 : Rhéologie des suspensions argileuses et des émulsions

 

L’activité de cette thématique est centrée sur l’étude des suspensions et des émulsions. Elle s’articule suivant deux thèmes : les écoulements de fluides thixotropes et la rhéologie des suspensions argileuses et des émulsions.

Thème 1 : Écoulements de fluides thixotropes - Mesures locales de vitesses et de contraintes dans les suspensions thixotropes

S. Jarny, P. Monnet, L. Chatellier, L. David, F. Gibouin (thèse soutenue en 2015)

De nombreuses suspensions, industrielles ou naturelles, telles que les boues, les vases, les émulsions,..., peuvent passer, progressivement et de façon réversible, d'un état de gel élastique au repos à un état liquide selon l'importance de la contrainte à laquelle on les soumet. Cette propriété est liée à la possibilité d'évolution de leur microstructure (ensemble de particules floculées, alignements de fibres, enchevêtrement d'associations moléculaires,...)en fonction des sollicitations mécaniques. Le comportement rhéologique de ces milieux dépend donc à chaque instant de leur état structurel qui évolue spatialement et temporellement. Cette fluidification sous cisaillement, associée à une réversibilité, est appelée thixotropie. Afin de mieux appréhender ces comportements nous avons développé des méthodes de mesures locales des champs de vitesses et de contraintes et des outils de simulations numériques.

La détermination des propriétés en écoulement des fluides complexes passe aujourd'hui par l'utilisation de techniques de mesures locales et simultanées des vitesses et des contraintes. Les rhéomètres, même les plus perfectionnés, ne répondent que partiellement à cette attente. En effet, leur principe consiste à générer dans un entrefer étroit un écoulement viscosimétrique dont le gradient de vitesse est supposé constant, les grandeurs imposées et mesurées (contraintes et vitesses de cisaillement) étant par ailleurs moyennées dans l'espace. L'étude des fluides à seuil de contrainte ne peut se suffire de ces informations, puisque dans l'entrefer peuvent cohabiter des zones cisaillées et des zones prises en bloc.

 

Nous avons développé des mesures couplées de vitesses (PIV) et de biréfringence locales permettant d’acquérir simultanément et localement les champs de vitesse et de contrainte. La loi rhéo-optique d’un matériau modèle (la laponite) a été déterminée, puis appliquée à l’étude de l’écoulement de ce matériau entre deux disques coaxiaux. Ce travail est mené en collaboration avec l’axe Photomécanique et Analyse Expérimentale en Mécanique des Solides (PEM) du Département Génie Mécanique et Systèmes Complexes. Il a débuté avec la thèse de Zied ZARROUK, soutenue en décembre 2010, et s’est poursuivi avec la thèse de Florence GIBOUIN soutenue en septembre 2015. Pour l’étude des écoulements à surface libre, nous avons mis en place des mesures couplées de vitesses surfaciques et d’épaisseurs de fluide permettant là encore d’estimer des gradients de vitesses locaux et des contraintes locales. La validation a été réalisée avec un écoulement de polyoxyde d’éthylène puis appliqué à des suspensions argileuses dans un canal incliné. Des expériences de rupture de barrage avec un gel viscoplastique à base de Carbopol ont ensuite été menées afin d’avoir accès à des informations locales dans l’épaisseur de fluide par mesures optiques.

Schéma montrant la configuration des essais de coulée de boue
Comparaison des rhéogrammes obtenus par rhéomètre et par analyse des données du plan incliné.

Références :

L. Chatellier, S. Jarny, F. Gibouin, L. David, 2013: A parametric PIV/DIC method for the measurement of free surfaces flows. Experiments in Fluids, 54:1488.

F. Gibouin, S. Jarny, P. Monnet, J.C. Dupré, V. Valle, 2014: Coupled measurements of PIV and photoelasticimetry on a thixotropic yield stress fluid flow. Experiments in Fluids, 55:1839.

 

Thème 2 : Rhéologie des suspensions argileuses et des émulsions

S. Jarny, P. Monnet

Cette thématique est le fruit de collaborations développées avec le laboratoire IC2MP de l’Université de Poitiers, les axes « Mécanique des interfaces lubrifiés » et « Photomécanique et Analyse Expérimentale en Mécanique des Solides (PEM) » du Département D3 de l’Institut Pprime, ainsi que l’IFREMER – LER/PC de La Rochelle. Les activités sur les propriétés des sédiments cohésifs et les lubrifiants ont débutées avec les thèses de S. Kervella, E. Harika et M. Kasai et se sont poursuivies avec le projet ANR Blanc Mascaret.

2-1 Rhéologie des suspensions argileuses

Les sédiments vaseux sont généralement des suspensions argilo-limoneuses et à ce titre leur comportement rhéologique est à rapprocher de ceux observés sur les suspensions d’argile pure. Cette activité a débutée dans le cadre d’un projet national d’environnement côtier (PNEC) concernant la gestion de l’espace littoral et la protection des zones humides en collaboration avec l’IFREMER – LER/PC de La Rochelle. Puis elle s’est poursuivie avec la thèse de S. Kervella, soutenue en décembre 2009, au cours de laquelle des relations entre seuils d’écoulement, composition granulométrique et minéralogique des vases ont été établies. En effet, les sédiments de la baie Marennes-Oléron ont pu être classés en cinq familles de comportements rhéologiques en fonction de leur composition et de leur minéralogie. Cette étude purement rhéométrique s’est poursuivie dans le cadre du projet ANR Blanc Mascaret (novembre 2010- mai 2015) où l’accent est mis sur le lien pouvant exister entre les propriétés rhéologiques des sédiments cohésifs et leur remise en suspension lors d’un passage de mascaret.

 

Berges envasées de l'île d'Arcins, estuaire de la Gironde. Propriétés rhéologiques des sédiments cohésifs de l'estuaire de la Gironde.

 

2-2 Rhéologie des lubrifiants

Cette activité à caractère plus industriel a été développée avec l’axe Mécanique des interfaces lubrifiées (TriboLub) du Département Génie Mécanique et Systèmes Complexes dans le cadre de deux thèses CIFRE. L’une financée par Idemitsu Kosan Co, soutenue par M. Kasai en avril 2010, et l’autre financée par EDF avec E. Harika soutenue en décembre 2011. Ces études ont pour objet de quantifier l’impact d’ajouts volontaires de polymères ou accidentels d’eau sur le comportement lubrifiant de ces huiles. Il a notamment mis en évidence que la viscosité du mélange huile-eau passe par un minimum à des concentrations en eau proches de la saturation. Cette activité s’est poursuivie dans le cadre d’un projet CETIM-Paulstra avec la caractérisation rhéologique de graisse de lubrification.

 

Butée hydrodynamique avec film lubrifiant. Module élastique de quatre graisses de lubrification.

 

Les activités de rhéométrie pure vont être regroupées sous la plateforme SPI-Mesures des propriétés rhéologiques des fluides et ne constitueront plus une thématique de recherche à proprement parlé. Par ailleurs, les activités sur les écoulements de fluides thixotropes seront à terme regroupées dans la partie Transport de l’équipe.

Références:

E. Harika, S. Jarny, P. Monnet, J. Bouyer, M. Fillon, 2011 : Effect of water pollution on rheological properties of lubricating oil. Applied Rheology, 21(1) 12613.

M. Kasai, M. Fillon, J. Bouyer, S. Jarny, 2012: Influence of lubricants on plain bearing performance. Part II: Evaluation of bearing performance with polymer-containing oils. Tribology International, 46(1), 190-199.

M.S. Vihacencu, P.V. Notingher, T. Paillat, S. Jarny, 2014: Flow electrification phenomenom for Newtonian and non-Newtonian liquids: Influence of liquid conductivity, viscosity and shear stress. Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 21(2), 693-703.








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