Mélange chaotique de fluides complexes : des fluides à seuil au malaxage de milieux granulaires humides – RHEOMEL

Nous élaborons une stratégie d’étude fondée sur un dispositif expérimental de mélangeur modèle (du type batteur-à-œufs ) utilisant des matériaux bien caractérisés individuellement (billes de verre ou PMMA calibrées, état de surface, rhéologie des fluides). Ce projet repose sur la combinaison de techniques d’imagerie à l’échelle du mélangeur ainsi qu’à plus petite échelle (adaptation d’indice et tomographie par rayons X pour les grains).

Mesure de taux de mélanges pour des fluide à seuils de compositions différentes.

Les retombées des travaux proposés dans le domaine applicatif sont évidentes, tant le mélange est un phénomène omniprésent, et les fluides complexes ou de rhéologie différentes la règle plutôt que l'exception. La littérature des poudres, de la granulation, du ciment et du béton, ou encore des polymères fondus, regorge d'études consacrées au mélange. Les prescriptions sur l'influence d'un seuil d'écoulement sur la qualité et la vitesse du mélange aideront à déterminer le domaine d'application à différents fluides d'un mélangeur donné.

Présentation orale à un congrès international

Une grande variété de procédés industriels comporte une étape de mélange de fluides visqueux ou de pâtes granulaires dans les domaines agro-alimentaires ou de la construction. Sur le plan de la rhéologie, la plupart de ces matériaux peuvent être considérés au premier ordre comme des fluides à seuil. Dans tous ces procédés, on part en général de constituants de nature physique et chimique différente, par exemple des grains et un liquide dans le cas d'un matériau de construction, qu'il s'agit de mélanger. Les processus de mélange de ces matériaux sont encore mal connus.

Le but de ce projet est d’apporter des réponses concernant la vitesse de mélange de fluides complexes et les structures qui se développent lors du mélange de deux constituants de rhéologie différente, en confrontant les comportements de liquides à seuil et de milieux granulaires. Nous élaborons une stratégie d’étude fondée sur un dispositif expérimental de mélangeur modèle (du type batteur-à-œufs ) utilisant des matériaux bien caractérisés individuellement (billes de verre ou PMMA calibrées, état de surface, rhéologie des fluides). Ce projet repose sur la combinaison de techniques d’imagerie à l’échelle du mélangeur ainsi qu’à plus petite échelle (adaptation d’indice et tomographie par rayons X pour les grains). Nous caractériserons expérimentalement les propriétés des mélanges chaotiques en fonction de la rhéologie de chaque fluide puis nous mêlerons des fluides différents, en visant notamment une compréhension fondamentale de l’incorporation de liquide dans un matériau granulaire par malaxage. Les analyses des motifs de mélange et de leurs fluctuations seront guidées par l'idée générale et récente que certaines zones peu étirées ralentissent et déterminent la vitesse du mélange, mais nous chercherons aussi à mettre en évidence des mécanismes de mélange spécifiques aux matériaux modèles étudiés, comme l'influence de zones en-dessous du seuil d'écoulement sur des périodes transitoires, ou l'évolution de zones mouillées et sèches d'un milieu granulaire.

Les principaux participants de ce projet combineront des compétences complémentaires tant expérimentales que de modélisation : Pierre Jop apporte en particulier des connaissances reconnues du comportement des matériaux granulaires et des fluides à seuils, E. Gouillart fera bénéficier le projet de son expérience des processus de mélange chaotique de fluides newtoniens ainsi que de son savoir-faire en traitement d’image, notamment en tomographie. Par ailleurs deux techniciens accorderont du temps à l’élaboration des dispositifs expérimentaux et un doctorant Cifre encadré par Pierre Jop, et déjà impliqué dans des études de granulation humide, participera activement aux réalisations et analyses des expériences d’incorporation de liquide (tous trois sont non financés par l’ANR). Le soutien financier demandé pour la réalisation de ce projet est de 191400 euros. Il se répartit comme suit : d’une part le recrutement d’un post-doctorant pour deux années pour l’exploitation des expériences de mélanges de plusieurs constituants (50%). D’autre part le second poste de dépense concerne la réalisation des expériences (38 %), qui se ventile à 24% pour la tomographie X (prestation de service à l’institut Navier et premières expériences à l’ESRF) et 14% qui sera dédié au montage des expériences à SVI et à leur fonctionnement. Enfin 13% du budget sera alloué aux missions et à la valorisation des résultats.