Impact de gouttes non-newtoniennes sur des liquides – INNpact

L’impact d’une goutte de fluide non-newtonien (microgel, suspension, émulsion etc.) sur une surface liquide pose des questions importantes dans le domaine de la Rhéologie de la Matière Molle. On rencontre ce phénomène dans une grande variété de procédés industriels, dont l’encapsulation et la fabrication de billes de céramique. Typiquement, une goutte non-newtonienne impacte la surface d’un liquide, créant une cavité. Cette cavité se referme, tandis que la goutte pénètre dans le liquide. Tout au long de l’impact/pénétration, la goutte subit des déformations complexes, aboutissant à des formes finales variées (poire, chapeau mexicain, bols, capsule etc.) en fonction sa rhéologie. Le comportement des fluides non-newtoniens étant extrêmement riche en termes de complexité (viscosité dépendante de la vitesse de déformation, contrainte seuil, différences de contrainte normales, élasticité, etc.), la forme finale des gouttes est difficile à prédire.

Ce projet porte sur la compréhension des mécanismes physiques qui régissent la dynamique d’impact de gouttes non-newtoniennes sur des liquides, ainsi que les effets rhéologiques sur leur forme finale.

Cette étude sera basée sur une approche mixte combinant une partie expérimentale et des simulations numériques tridimensionnelles des écoulements multiphasiques. Les étapes de ce projet se dérouleront au sein de l’équipe Calcul Intensif et Mécanique des Fluides (CFL), un groupe de recherche mixte expérimental/numérique du CEMEF, MINES ParisTech.

Tout d’abord (étape 1), des expériences sur l’impact des gouttes de différents matériaux élasto-viscoplastiques sur des solutions d’eau et glycérol seront réalisées en utilisant des techniques de suivi de particules, afin d’identifier les principales signatures du phénomène, lois d’échelle, dynamique de formation du cratère, morphologie finale des gouttes, en fonction de leur rhéologie. Parmi les matériaux élasto-viscoplastiques utilisés, on citera : des microgels de carbopol (élasto-viscoplasticité modérée), des suspensions ou gels de noir de carbone (élasto-viscoplasticité modérée), des suspensions d’alginate (élasto-viscoplasticité modérée), des suspensions d’alumine (viscoplasticité élevée) et des gels de carraghénane (élasticité élevée). Ensuite (étape 2), des informations supplémentaires concernant les champs de vitesse/pression/déformations à l’intérieure des gouttes, seront fournies par des simulations numériques tridimensionnelles. Ces simulations seront basées sur une méthode adaptative variationnelle multi-échelle, combinée avec de l'adaptation de maillage, consacrée aux écoulements multiphasiques des fluides newtoniens et non-newtoniens, en tenant compte de leur tension de surface. De plus, les gouttes seront décrites par un modèle rhéologique selon lequel un matériau élasto-viscoplastique se comporte comme un fluide visco-élastique du type Oldroyd lorsque la contrainte seuil est nulle et comme un fluide viscoplastique du type Herschel-Bulkley à la limite rigide. Enfin (étape 3), des comparaisons entre les résultats expérimentaux et numériques nous permettront de mettre en évidence la façon dont son l’énergie initiale du système multiphasique se distribue entre élasticité, viscosité, et plasticité tout au long de la pénétration de la goutte dans le liquide, et, par conséquent, de décrire les mécanismes physiques qui régissent ce phénomène.