étalement de pâtes granulaires: de la particule aux propriétés d'usage – PASTFLOW

a- Influence des vibrations sur la rhéologie, optimisation du transport (échelle macroscopique)
Notre objectif est ici d'extraire des lois constitutives macroscopiques pour des pâtes granulaires vibrées. Nous comparerons les lois extraites pour des écoulements confinés avec celles obtenues pour des écoulements gravitaires à surface libre lors de l'étalement des pâtes. Nous quantifierons l'influence des vibrations et des potentiels d'interaction entre les grains, décrits aux méso- et micro-échelles, sur l'écoulement macroscopique. Ces résultats seront utilisés pour identifier les paramètres pertinents afin d'optimiser le transport de pâtes modèles de composition donnée (particules de différentes tailles, souplesse, mouillabilité, viscosité du fluide interstitiel et concentration en particules).
b- Evolution de la porosité pour des écoulements de pâtes granulaires (échelle mésoscopique)
En effectuant des mesures locales, nous quantifierons pour la première fois l'influence du cisaillement de l'écoulement et des vibrations sur la porosité. Nous mettrons en relation les variations de la porosité avec les lois constitutives macroscopiques. Nous déterminerons comment la porosité s'adapte au taux de cisaillement/stress appliqué et à l'intensité des vibrations (A, f) par une mesure directe de la loi de dilatation/compaction. Nous identifierons également l'influence des vibrations sur la localisation du cisaillement habituellement observée dans les fluides à contrainte de rendement. Les résultats obtenus pour les écoulements confinés seront comparés à ceux obtenus pour la dynamique d'étalement.
c- Lier la porosité au mouvement des particules (échelle microscopique)
L'évolution de la porosité induit un changement du volume libre moyen disponible pour les particules pour se réarranger et modifier la viscosité apparente de la pâte. En utilisant la simulation CFD-DEM, nous décrirons le mouvement des particules et la dynamique des interactions, nous extrairons les temps typiques de réorganisation à l'échelle des particules et nous relierons ces temps typiques à la fois à la porosité et à la viscosité effective. Nous obtiendrons des informations sur les propriétés de relaxation structurelle pour diverses intensités de vibration, contraintes de cisaillement et variétés de dispersions pour les dynamiques de confinement et d'étalement.
Le projet «Pastflow« est divisé en deux tâches principales consacrées à l'étude de l'influence des vibrations sur le comportement rhéologique des pâtes granulaires.

Durant cette première période, nous avons étudié le comportement rhéologique de dispersions granulaires vibrées en conditions stationnaires à l'aide d'un rhéomètre à poudre innovant relié à une cellule vibrante. Nous avons montré expérimentalement que l'application de vibrations mécaniques bien contrôlées à des dispersions granulaires constituées de billes de verre donne des propriétés remarquables à ces systèmes, comme le contrôle de leur viscosité. Nos expériences récentes montrent que des dispersions granulaires saturées en fluide ou sèches ont un comportement similaire et que les vibrations modifient principalement la dynamique du réseau de contact et la friction apparente. Un modèle couplé CFD-DEM de la pâte a été établi par TU Kaiserslautern sans vibrations qui prédit le comportement d'écoulement de la suspension obtenu expérimentalement. Dans la prochaine période, l'influence des vibrations sera étudiée. Nous avons développé un dispositif expérimental constitué d'une plaque vibrante et d'une métrologie optique adaptée afin de suivre l'étalement et l'évolution de la surface libre d'une dispersion granulaire soumise à des vibrations. La nature et la taille des particules ont été modifiées ainsi que la rugosité de la plaque par la fabrication d'une plaque imprimée en 3D à structure contrôlée. Nous avons montré que les vibrations permettent de contrôler la dynamique d'étalement en présentant une cinétique en deux temps : une première étape de compaction du tas et une seconde étape d'érosion de la surface induite par une diminution de la friction apparente en lien avec les résultats de la tâche 1. Les simulations numériques réalisées par l'université de Kaiserslautern en utilisant la méthode des éléments discrets sont en accord avec les résultats expérimentaux et nous permettront d'étudier la dynamique des particules dans chaque régime. L'étape suivante consistera à la fois à réaliser des expériences avec des dispersions saturées en liquide en suivant la dynamique des gains par des méthodes de correspondance d'indice de réfraction et à finaliser le développement d'outils CFD-DEM pour la simulation de l'étalement dans ce cas. Nous étendrons ensuite nos mesures à des dispersions de différentes natures (dispersions sèches, saturées en liquide, partiellement saturées) .

Le fait que nous souhaitions étudier à la fois les effets des vibrations et du cisaillement de l'écoulement sur l'étalement des pâtes granulaires est à la fois pertinent et innovant. Elle conduira à une meilleure description des écoulements de pâtes granulaires et permettra d'appliquer ces résultats à des processus de transport complexes d'intérêt industriel. Nos travaux permettront une avancée scientifique sur la rhéologie des pâtes granulaires. Nous identifierons les paramètres et les conditions vibratoires permettant de contrôler leurs écoulements. Dans ce cadre, nous serons en mesure de proposer une loi rhéologique dépendant des propriétés locales des dispersions. Cette loi sera implémentée dans un code numérique original et ce sera une première étape vers le développement d'un code prédictif, modulaire et robuste pour simuler les écoulements de dispersions granulaires vibrées dans des configurations complexes d'intérêt industriel. Notre projet porte sur la recherche fondamentale mais nous profiterons de cette collaboration pour définir les applications industrielles potentielles de nos travaux et estimer la maturité technologique du projet. En ce sens, cette collaboration favorisera l'augmentation de la maturité technologique du projet. Nous prévoyons une transition d'un TRL 1 à un TRL 3 d'ici les cinq prochaines années. Ce projet est également une opportunité pour notre équipe de participer à un travail initial avec des applications pratiques industrielles potentielles à long terme. Nous espérons que cette collaboration nous aidera à identifier et à faciliter le transfert industriel potentiel vers l'industrie et à obtenir des contrats industriels dans les dix prochaines années.

1. Krull, F., Mathy, J., Breuninger, P., Antonyuk, S.: Influence of the surface roughness on the collision behavior of fine particles in ambient fluids, Powder Technology 392 (2021), 58-68 (2021)
2. Hesse, R., Krull, F., Antonyuk, S.: Prediction of random packing density and flowability for non-spherical particles by deep convolutional neural networks and Discrete Element Method simulations, Powder Technology 393 (2021), 559-581
3. Goldnik, D., Lösch, P., Ripperger, S., Antonyuk, S.: Diafiltration of highly concentrated suspensions with fine particles by dynamic disc filtration, Chemical Engineering & Technology (2021), accepted, doi.org/10.1002/ceat.202100194
4. Communication orale, Powders and grains conferences (07/2021), EPJ Web of Conferences 249, 03008.

Les pâtes granulaires en tant que suspensions de particules hautement concentrées, telles que les pâtes de gypse et les bétons frais, jouent un rôle important dans la fabrication de différents produits dans les industries de la construction, chimique et alimentaire. Ces matériaux sont des fluides non newtoniens dont les propriétés rhéologiques complexes (limite d'élasticité, thixotropie) doivent être comprises et décrites à l'aide de modèles physiques afin d'optimiser les propriétés d'utilisation finale de ces produits en liaison avec leur formulation. Une façon d'optimiser le comportement des pâtes lors de leur mise en écoulement consiste à appliquer une vibration mécanique pour un contrôle ciblé de leur viscosité. Dans ce projet de coopération, nous allons combiner les outils expérimentaux et numériques pour étudier le comportement des pâtes granulaires sous l’effet des vibrations. À l'échelle microscopique, les paramètres caractéristiques des micro-processus et les interactions entre les phases (particule-particule, particule-fluide et les deux avec des parois) seront obtenus. Les particules seront simulées à l'aide de la méthode des éléments discrets (DEM). Pour prendre en compte les micro-interactions entre le liquide et les particules, le DEM sera couplé à une approche CFD. Les modèles seront validés avec les expériences rhéologiques développées depuis ces dix dernières années au laboratoire LEMTA. Sur la base des résultats expérimentaux et numériques, nous pourrons identifier les mécanismes relatif à l'effet des vibrations sur le taux cisaillement, le transport des particules et la dissipation d'énergie afin de fournir les paramètres pouvant être utilisés dans des modèles physiques à l'échelle macroscopique. À l'aide d'un modèle multiéchelle développé, il sera possible d'obtenir des informations détaillées sur l'influence des microprocessus sur le comportement macroscopique en écoulement des pâtes granulaires pendant les vibrations. Ceci peut être utilisé dans l'optimisation des propriétés d'étalement d'une pâte granulaire avec une formulation contrôlée.