Rhéologie de suspensions concentrées – RSC

Notre projet concerne la rhéologie de suspensions très concentrées dont nous mènerons une étude numérique et expérimentale et que nous tenterons de décrire à l'aide de modèles théoriques simples. En effet, si le comportement mécanique des suspensions diluées ou semi-diluées est assez bien connu, le cas de suspensions très concentrées est beaucoup plus compliqué et, malgré d'importants efforts développés ces dernières années, de nombreuses questions restent en suspens. La complexité du comportement rhéologique des suspensions concentrées est très certainement imputable à la présence de forces non-hydrodynamiques (forces de contact) entre les particules. Leur comportement se situe donc entre celui de suspensions et celui des milieux granulaires. Nous souhaitons dans ce projet identifier le rôle exact joué par ces forces de contact sur le comportement rhéologique de la suspension. En particulier, nous nous concentrerons sur la transition entre un régime frictionnel contrôlé par les contacts et un régime visqueux contrôlé par les interactions hydrodynamiques. Plusieurs approches seront développées. La première consistera à mener des expériences de rhéologie dans une configuration originale où, au lieu de contrôler comme c'est l'habitude, la fraction volumique de particules, nous imposerons la contrainte normale granulaire en permettant, grâce à une grille qui laisse passer le liquide interstitiel, à la fraction volumique de particules de varier. Ces mesures devraient permettre de passer continuement d'un régime granulaire à un régime suspendu et à éclaircir le rôle respectifs des deux phases. Afin d'identifier en détail le rôle des contacts entre particules, nous envisageons de réaliser ces expériences avec des particules présentant des états de surface différents et d'étudier le rôle de la rugosité sur les différents régimes d'écoulement. La seconde approche consistera à réaliser des mesures locales de rhéologie en géométrie de Couette cylindrique et de plans parallèles rotatifs. Ces mesures consistent à réaliser une mesure locale du champ de vitesse et de la concentration en particules. L'avantage de cette mesure par rapport à une mesure macroscopique est qu'elle tient compte d'éventuelles inhomogénéités de concentration et de gradient de vitesse. Elle permet donc d'obtenir la relation constitutive locale de la suspension pour différentes fractions volumiques et peut également permettre de mettre en évidence des effets non locaux. Ce type de mesure a déjà été développée en RMN. Nous proposons, quant à nous, d'utiliser un dispositif de PIV et d'observer une suspension dont le liquide et les particules ont les mêmes densités et indices de réfraction. Par rapport à l'imagerie nucléaire, la PIV devrait offrir une résolution spatiale bien meilleure, en particulier très inférieure à la taille des particules. En revanche, il est certain que l'adaptation des indices de réfraction requise par la PIV demande un soin particulier. Nous avons cependant une expertise dans ce domaine et nous avons pu réaliser des suspensions transparentes contenant 40% de particules . Enfin, le troisième axe de notre projet est de mettre au point un outil numérique adapté à la description de l'écoulement de suspensions concentrées. Celui-ci associera un solveur particulaire, habituellement utilisé pour décrire la mécanique des milieux granulaires secs, à la résolution par élément fini de l'équation de Navier Stokes dans les deux phases (particules et fluide). Une étroite relation entre les expériences et les calculs numériques est prévue. Ainsi, par exemple, la mesure du champ de vitesse au voisinage de particules en interaction devrait permettre de proposer une forme réaliste de l'interaction à courte portée à insérer dans le solveur particulaire . A l'inverse, les mesures de rhéologie macroscopique pourront être interprétées à l'aide de trajectoire ou de distribution de particules calculées numériquement.