Description :
RESUME :
Le comportement macroscopique des fluides complexes et notamment de ceux dits structurés dépend fortement du couplage entre les caractéristiques des microstructures qui les composent et des sollicitations imposées à l’écoulement. Afin de mieux comprendre les limites de validité des modèles continus, des essais expérimentaux réalisés par RMN/IRM (vitesse, concentration, anisotropie) seront confrontés aux prédictions du modèle.

SUJET DE RECHERCHE

Les fluides complexes, très fréquents en industrie, interviennent dans de nombreuses opérations unitaires de transferts. Des dispositifs de Taylor Couette constitués de deux cylindres coaxiaux sont souvent utilisés comme réacteur dans ce cadre pour la polymérisation, pour l’optimisation de mélange de fluides complexes en vue de transferts de masse et de chaleur comme par exemple pour l’extraction de radioéléments dans des configurations avec écoulement axial (Taylor Couette Poiseuille). En pratique, l’écoulement dans ce dispositif est généralement instationnaire ce qui améliore l’opération du transfert dans le procédé par la convection induite des rouleaux de Taylor. Afin de mettre au point et d’optimiser ces procédés, il faut que les modèles rhéologiques décrivent de façon pertinente la physique qui régit le comportement des fluides complexes. Il existe de nombreuses lois de comportement qui permettent de prédire les écoulements de différents types de fluides non-Newtoniens. Parmi les types de fluides correctement décrits par des modèles macroscopiques, on peut citer les fluides purement visqueux rhéofluidifiants qui suivent une loi de Carreau ou une loi puissance.

Cependant, dans les suspensions de fibres ou de particules, on ne peut pas toujours considérer que la structure interne du milieu à l’échelle microscopique, qui détermine le comportement macroscopique du fluide, réagit instantanément à l’écoulement. Dans ce cas, la dynamique interne doit être décrite par un modèle de comportement. Le couplage entre microstructure et écoulement se produit lorsque le temps caractérisant la réponse de l’échelle microscopique est du même ordre que le temps caractéristique de l’écoulement. Plusieurs approches sont possibles dans ce cas. Les approches discrètes où les interactions entre particules sont directement calculées et permettent une description fine du comportement du milieu. Cependant, dans les écoulements complexes, le nombre de particules à suivre devient très important et seules les approches de type milieu continu permettent de mener des calculs. Les modèles à paramètres de structure, comme le modèle de Houska par exemple, permettent de décrire une dynamique interne tout en conservant une formulation de type milieu continu. La validité de ces modèles n’est pas encore totalement établie en ce qui concerne les écoulements instationnaires ou les écoulements présentant bandes de cisaillement.

Les écoulements avec bandes de cisaillement se produisent par exemple dans les solutions micellaires, certains fluides composés de particules molles interagissant entre elles par des potentiels de répulsion ou d’attraction, les émulsions ou le ciment. Au-delà d’un cisaillement critique, les micelles géantes, par exemple, se désenchevêtrent brutalement. L’alignement des micelles se caractérise par une diminution de la contrainte avec le cisaillement qui entraîne une instabilité mécanique. Le nombre de Weissenberg, rapport des effets élastiques par rapport aux effets de cisaillement est alors suffisamment important pour que l’écoulement devienne turbulent. Expérimentalement, on observe un plateau de contrainte à une valeur fixée. L’analyse des fluctuations de vitesse montre que l’écoulement est inhomogène avec coexistence de phases entre des zones enchevêtrées et de zones cisaillées. Un tel écoulement a été observé entre deux cylindres coaxiaux en 2003. Les modèles incluant un paramètre de structure permettent de prédire ce type d’écoulement en régime permanent stationnaire bien qu’il reste des questions comme la sélection de contrainte à l’interface entre bandes de cisaillement. Les bandes de cisaillement sont reliées à une modification brutale de l’état de structure du fluide à l’interface entre bandes.
Un code numérique a été développé au LEMTA pour calculer l’écoulement d’un fluide thixotrope à seuil décrit par le modèle de Houska. Ce code permet d’obtenir le profil radial de vitesse ainsi que le couple exercé sur le cylindre interne. Une étude linéaire de stabilité de l’écoulement de Couette a été réalisée pour déterminer les nombres de Reynolds critiques d’apparition des rouleaux convectifs de Taylor dans ce type de fluide. Une version instationnaire du code fournit les transitoires lors de la mise en écoulement par exemple. Freefem++ pourra être utilisé pour les écoulements 2D ou 3D. Ces outils numériques permettent d’obtenir les écoulements prévus par le modèle et éventuellement de s’attaquer aux premières étapes de transition vers des régimes d’écoulements plus complexes (rouleaux convectifs 2D, 3D, instationnaires).

Des dispositifs expérimentaux utilisant l’IRM et une métrologie de rhéologie classique sont déjà existants et fonctionnels au laboratoire. Nous disposons en particulier d’un spectromètre RMN/IRM à 600MHz équipé d’un dispositif de Rhéo-RMN avec lequel une mesure du champ de vitesse par IRM est faisable. En l’associant au couple exercé sur le cylindre interne (obtenu par mesure rhéologique), la caractérisation expérimentale de l’écoulement d’un fluide complexe est possible. Dans un premier temps, il s’agira de se familiariser avec la méthode afin d’obtenir des cartes de concentrations et des profils de vitesse 1D pour des fluides d’intérêt comme des suspensions de fibres et de nono fibres par exemple. Les résultats obtenus à partir des simulations numériques (tailles des rouleaux, fréquences temporelles…) et les observations expérimentales seront comparés. A moyen terme, une adaptation des séquences d’imagerie couramment utilisées nous permettra d’acquérir rapidement des images 1D voire 2D afin de suivre l’apparition et l’évolution de phénomènes instationnaires comme les rouleaux de Taylor. Ces différents résultats doivent conduire à une description physique pertinente qu’il faudra prendre en compte dans les modèles rhéologiques macroscopiques pour assurer une bonne capacité prédictive. La technique RMN/IRM est une spectroscopie complète, outre des mesures de concentration et de vitesse, elle donne aussi une information sur l’orientation du milieu. La caractérisation expérimentale de l’écoulement de fluides complexes sera complète si nous parvenons à corréler l’anisotropie mesurée et le paramètre de structure présent dans le modèle. L’objectif de ce travail est d’apporter une avancée significative dans la compréhension du couplage dynamique entre l’échelle microscopique et macroscopique afin d’améliorer des capacités prédictives des modèles à paramètre de structure.

Travail demandé :

 Expériences avec un dispositif de Couette sur l’IRM 600.

 Caractérisation des fluides utilisés sur rhéomètre.

 Utilisation du code numérique sous Matlab pour comparaison avec les résultats expérimentaux.

 Comparaison des prédictions de cette approche avec celles de différents modèles couramment utilisés en littérature.

Profil du candidat :

 Titulaire d’un master (ou diplôme d’ingénieur) en mécanique ou mathématiques appliquées,

 Connaissances en mécanique des fluides expérimentale,

 Connaissances en simulation numérique et programmation,

 Des connaissances de base sur la rhéologie des fluides seraient appréciées.

Envoyer votre candidature à :
mathieu.jenny@univ-lorraine.fr
maude.ferrari@univ-lorraine.fr

Reference : LEMTA

Date de démarrage : 01 septembre 2016

Durée : 3 ans

Contacter :
LEMTA UMR 7563 - Université de Lorraine CNRS
Mathieu Jenny
LEMTA ENSEM - 2 avenue de la Forêt de Haye - TSA60604 54518 VANDOEUVRE CEDEX FRANCE
email : mathieu.jenny@univ-lorraine.fr
Téléphone : 03.83.59.57.12
Fax : 03.83.59.55.51
Page web : http://lemta.univ-lorraine.fr/index.html