Instabilités thermoconvectives pour des fluides microstructurés – ThIM

La mécanique des fluides non-Newtoniens représente un vaste et actif sujet de Recherche, à la fois pour ce qui à trait aux problèmes industriels (cosmétique, alimentaire, industrie pétrolière) ou à des questions environnementales (géophysique). La plupart des fluides rencontrés dans les procédés industriels sont non-Newtoniens. Les fluides rhéo-fluidifiants, viscoplastiques ont un comportement complexe dans la mesure où les interactions liées à leur structure microscopique deviennent suffisamment importantes pour modifier leurs propriétés macroscopiques. Les fluides rhéo-fluidifiants présentent une diminution non linéaire de la viscosité avec le taux de déformation. Si la concentration des microstructures est suffisamment importante, la résistance à l’écoulement est telle que le matériau ne s’écoule pas sous l’effet de faibles contraintes. Ces fluides sont appelés fluides à seuil ou viscoplastiques. Au-delà de la contrainte seuil, ils peuvent s’écouler avec un comportement rhéo-fluidifiant.

De plus, de nombreux procédés industriels induisent un transfert de chaleur via la convection thermique. Les études de stabilité hydrodynamique sont essentielles pour comprendre la transition entre les écoulements stables et instables, parce que l’instabilité s’accompagne souvent d’une augmentation importante du transfert de chaleur. La première configuration qui a retenu notre attention est la configuration académique de Rayleigh-Bénard associé à ces différents types de fluide. Cette configuration permet de voir l'effet d'un gradient de température, sans couplage avec un écoulement de base (écoulement de Poiseuille)
En dépit des larges et nombreuses applications associées à ces fluides, et plus particulièrement aux fluides viscoplastiques , les études de stabilité pour ces fluides restent très limitées, probablement à cause des difficultés liées au traitement des deux phases.
Dans la configuration de Rayleigh-Bénard, l’origine de l’instabilité convective est due à un gradient vertical de température entre deux plaques horizontales qui induisent une force de poussée, caractérisée par le nombre de Rayleigh. L’écoulement de base correspond à un état statique purement conductif.
Pour des fluides visqueux, tant que le nombre de Rayleigh est suffisamment petit, les forces de poussée ne peuvent pas vaincre les effets stabilisants de la diffusion visqueuse et thermique. A partir d’une valeur critique Rac, l’équilibre est rompu et des rouleaux thermo-convectifs apparaissent. Dans le cas des fluides à seuil, le déclenchement des instabilités n’est possible que si la force de poussée est suffisamment importante pour vaincre à la fois la contrainte seuil et les effets conjugués de dissipation thermique et visqueuse.
Dans ce projet, nous proposons d’étudier l’influence de la rhéo-fluidification et de la contrainte seuil sur le déclenchement et l’évolution des instabilités thermo-convectives. Les principales difficultés proviennent des comportements non linéaires des fluides dont les propriétés peuvent varier avec le taux de cisaillement, la température, le temps ; du traitement des deux phases pour les fluides à seuil.
Le projet a pour objet de surmonter ces difficultés et de comprendre plus précisément le comportement de ces fluides dans le cas d’une configuration académique. L’objectif final étant de mieux comprendre les instabilités hydrodynamiques et convectives dans des configurations rencontrées dans l’industrie (tube droit ou courbe), où existera un couplage entre les deux types d’instabilités.