Écoulements capillaires de suspensions – POLYSHAPE

Les liquides polyphasiques (suspensions, émulsions, mousses) sont omniprésents dans les activités humaines et naturelles (sols, pates…). Comme pour les liquides conventionnels, il existe un besoin croissant d’optimiser les écoulements de ces liquides à des échelles toujours plus petites, en considérant à la fois l’enveloppe du liquide polyphasique et la phase dispersée en son sein. Cela nécessite de comprendre la dynamique complexe résultant du couplage entre la phase dispersée, les particules, et l’interface liquide.

Ce projet identifie un domaine de recherche émergeant à l’interface entre écoulements polyphasiques et dynamique d’interface. Ces domaines ont été largement étudiés indépendamment l’un de l’autre, i.e., en l’absence d’interface ou de particules. En revanche, la dynamique complexe résultant du couplage interface/particules est essentiellement inexplorée.

Il s’agit d’un projet ambitieux qui vise à obtenir une compréhension fondamentale du couplage, à la fois à l’échelle locale d’une particule, et à l’échelle globale de l’objet capillaire. En ciblant des écoulements capillaires de suspensions solides monodisperses de billes et fibres, il étudiera à la fois comment les particules affectent la formation et déformation des objets capillaires, et comment les particules sont dispersées/concentrées par la dynamique (pincement, rétraction, étalement) de ces objets.

Trois configurations expérimentales modèles, paradigmes de la mise en forme d’objets capillaires, seront étudiées: des jets (objets allongés, 1D), des films (objets fins, 2D) et des gouttes (objets compacts, 3D). Elles permettront d’observer comment le couplage dépend de la viscosité du liquide et de la densité, taille, forme et mouillabilité des particules, et comment ce couplage affecte la fragmentations des jets et le détachement des gouttes, l’épaisseur des films, l’étalement des gouttes, et la dispersion/concentration des particules induite par ces dynamiques.

L’étude devra identifier et comprendre, pour des suspensions denses et diluées, la contribution de la rhéologie propre de la suspension, de la précontrainte capillaire (due à la pression capillaire aux ménisques reliant les particules), et les effets de taille finie (défauts initiant le pincement, discrétisation des tailles de gouttes). Elle consistera en l’étude graduelle des différents régimes d’écoulement :
- Configurations statiques pour des suspensions denses,
- Écoulements ‘lents’ dominés par la viscosité,
- Écoulements ‘rapides’ ou impulsifs faisant intervenir l’inertie,
pour chacun desquels, les mouvements individuels et collectifs des particules, et la forme de l’interface seront systématiquement analysés.

Ce projet sera développé par un responsable scientifique junior, ayant acquis à l’étranger des compétences uniques sur la dynamique à temps court et à petite échelle des interfaces liquides, et souhaitant développer en France une activité de recherche originale sur les thématiques d’interface et d’écoulements polyphasiques. Il sera mis en œuvre à l’IUSTI et impliquera activement plusieurs équipes du laboratoire, dont l’expertise sur les suspensions et les écoulements de liquides complexes est internationalement reconnue. Le projet bénéficiera de la complémentarité de ces compétences essentielles à son succès. Il mettra à profit les synergies créées pour aborder sur 4 ans un problème fondamental, vaste et original.

Il est attendu que les progrès sur les différents aspects des écoulements capillaires de suspensions monodisperses solides sur les configurations représentatives de jets, films et gouttes fourniront des ‘briques élémentaires’ aidant à la description et la quantification de processus ou phénomènes de mise en forme plus complexes, et facilitant la description future d’écoulements capillaires de suspensions polydisperses ou fluides.