Description :
****Contexte général
De nombreux produits industriels présentent un comportement rhéologique complexe tel que la rhéofluidification, la viscoélasticité ou la thixotropie. On en trouve notamment dans les domaines de la cosmétique (crèmes, rouges-à-lèvre, etc.), des produits d’hygiène (dentifrice, gels douches, shampooings, etc.), de l’agroalimentaire (sauces, purées, soupes, etc.) et du BTP (peintures, bétons, bitumes, etc.). Pour maîtriser la fabrication de ces produits et pour leur conférer des propriétés d’usage souhaitées, il faut comprendre leur comportement rhéologique.
La thixotropie se manifeste par une diminution de la viscosité du matériau au cours du temps sous sollicitation constante. Beaucoup de produits industriels sont concernés, comme les peintures, les ciments ou le dentifrice. Ces produits sont souvent des dispersions de particules ou de macromolécules aux seins desquelles des interactions faibles produisent un réseau tridimensionnel structuré. Sous l’effet d’une sollicitation, le réseau se brise – il y a déstructuration – conduisant à un écoulement facilité du fluide et donc à un abaissement de sa viscosité. Cette déstructuration n’est pas instantanée : elle suit une cinétique souvent décrite par une équation différentielle du premier ordre, Mewis (2009). A cette cinétique structurelle est associée un modèle de comportement rhéologique, tel que le modèle Houska (1981) pour des fluides thixotropes à seuil.
Le comportement rhéologique des fluides non newtoniens fait l’objet de nombreuses études car la connaissance de leurs modalités d’écoulement est nécessaire à l’optimisation de nombreux procédés industriels. Cependant, la modélisation structurelle et la simulation numérique des fluides thixotropes reste un sujet en plein développement. Billingham (1993) a étudié l’écoulement tubulaire permanent de bentonite ; Wachs (2009) s’est intéressé à l’écoulement transitoire d’un pétrole thixotrope en tuyau ; plus récemment Ardakani (2014) a modélisé l’extrusion de dentifrice, de chocolat et de PTFE.

****Objectifs de la thèse :
Lors de cette thèse, plusieurs matériaux thixotropes, fluides commerciaux et fluides formulés au laboratoire, seront modélisés. Des modèles similaires à ceux de Mewis (2009) et Houska (1981) seront élaborés pour décrire de comportement rhéologique de ces matériaux. Les paramètres rhéologiques seront déterminés à partir d’expériences réalisées sur des rhéomètres rotatifs disponibles au LRPG.
Ces modèles seront ensuite couplés aux équations de conservation de la masse et de la quantité de mouvement pour simuler l’écoulement de ces fluides. Les codes de calcul de mécanique des fluides numérique tels que le logiciel ANSYS Fluent (logiciel commercial) et Openfoam (logiciel open source) seront utilisés.
L’écoulement au sein d’une cellule de mesure de rhéomètre sera d’abord simulé et le couple calculé sera comparé au couple mesuré expérimentalement en fonction de la vitesse de rotation imposée et du temps, ce qui permettra une première validation du code de calcul.
Des mesures de RMN (Résonance Magnétique Nucléaire) seront réalisées en collaboration avec le LEMTA. Les champs et profils de vitesse ainsi obtenus seront comparés aux simulations numériques.
L’écoulement des fluides au sein de procédés sera ensuite considéré. Nous nous intéresserons ainsi à des dispositifs de type cuve agitée et ainsi qu’à des géométries tubulaires (écoulement en conduite). L’évolution rhéologique des fluides dans le temps et dans l’espace sera étudiée.
Les modèles élaborés pour le cas de fluides thixotropes seront enfin adaptés pour représenter des fluides réactifs dont la rhéologie varie sous l’effet d’un changement de composition consécutif à une réaction chimique. Pour prendre en compte cette réaction, des équations de cinétique chimique seront couplées aux équations de transport des constituants. La loi de comportement rhéologique, fonction de la concentration des constituants, sera prise en compte dans les équations de conservation de la masse et de la quantité de mouvement. Ces équations fortement couplées pourront être résolues pour simuler certaines opérations industrielles mettant en œuvre des fluides rhéologiquement complexes.

****Lieu : Laboratoire Réactions et Génie des Procédés à Nancy

****Encadrants : Cécile Lemaitre et Philippe Marchal

****Profil du(de la) candidat(e)
Nous recherchons un(e) candidat(e) de niveau Master en génie des procédés, en mécanique des fluides ou en rhéologie, qui aime les expériences et la simulation numérique. Plus particulièrement :

**Prérequis

 Très bon niveau d’anglais, parlé et écrit.

 Connaissances en rhéologie.

 Connaissances en mécanique des fluides.

 Connaissances en génie des procédés

**Appréciés

 Pratique expérimentale.

 Expérience en simulation numérique avec par exemple Matlab, ANSYS Fluent, Open Foam, etc.

*****Références indicatives
J. Mewis, NJ. Wagner, Thixotropy, Advances in Colloid and Interface Science, 147-148, 214-227 (2009)
A. Mujumdar, AN. Beris, AB. Metzner, Transient phenomena in thixotropic systems, Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, 102, 157-178 (2002).

Reference :

Date de démarrage : 01 octobre 2021

Durée : 3 ans

Contacter :
LRGP UMR7275 CNRS-Université de Lorraine
Cecile Lemaitre
ENSIC 1 rue Grandville 54000 NANCY
email : cecile.lemaitre@univ-lorraine.fr
Téléphone : 0372743836

Page web : https://lrgp-nancy.cnrs.fr/