Comportement de fluides complexes sous écoulement PDF Download
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Book Description
Cette thèse est une contribution à la fois expérimentale, théorique et numérique à l'étude des écoulements bidimensionnels de fluides complexes dans une conduite cylindrique présentant des singularités et dans une géométrie annulaire à cylindres excentrés. Le fluide utilisé est une solution de xanthane à différentes concentrations présentant un caractère non newtonien rhéofluidifiant. L'objectif principal de cette thèse est la caractérisation de l'influence des propriétés rhéofluidifiantes sur le comportement des zones de recirculation, en terme de morphologie, de positionnement et d'intensité, par l'utilisation et le développement de techniques de mesures non intrusives et performantes. La première méthode expérimentale utilisée une technique laser classique: la vélocimétrie par images de particules. La seconde technique mise en oeuvre est une méthode originale: la vélocimétrie par imagerie par résonance magnétique. Elle est utilisée pour la première fois au laboratoire pour la mesure de champ de vitesse d'écoulement de fluides complexes en conduite cylindrique, représentant l'intérêt majeur de cette thèse. La première partie de notre travail consiste en une description rhéologique complète de nos fluides modèles avec la détermination de leur loi de comportement et la mise en évidence de leurs propriétés viscoélastiques, par ailleurs négligeables. Par la suite les mesures de champ de vitesse des écoulements bidimensionnels étudiés et la représentation des lignes de courant montrent que les propriétés rhéofluidifiantes influencent très fortement la structure et la morphologie de ces écoulements et le comportement des zones de recirculation. Par une étude fine nous observons qu'il existe une compétition entre les effets d'inertie et les effets rhéofluidifiants induisant un champ de contrainte variable qui modifie le positionnement et la taille de la zone de recirculation. Nous montrons également que l'augmentation du caractère rhéofluidifiant affaiblit son intensité de la zone de recirculation. Enfin, des simulations numériques utilisant la loi de comportement macroscopique déterminée par rhéométrie classique ont été réalisées avec le logiciel Fluent. Une bonne concordance est observée entre les résultats de ces simulations numériques et les expérimentaux. Cette comparaison permet ainsi de valider le code de calcul et la loi de comportement, utilisée pour les simulations numériques au travers de sa modélisation suivant la loi de Cross, pour les écoulements considérés.
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Cette thèse est une contribution à la fois expérimentale, théorique et numérique à l'étude des écoulements bidimensionnels de fluides complexes dans une conduite cylindrique présentant des singularités et dans une géométrie annulaire à cylindres excentrés. Le fluide utilisé est une solution de xanthane à différentes concentrations présentant un caractère non newtonien rhéofluidifiant. L'objectif principal de cette thèse est la caractérisation de l'influence des propriétés rhéofluidifiantes sur le comportement des zones de recirculation, en terme de morphologie, de positionnement et d'intensité, par l'utilisation et le développement de techniques de mesures non intrusives et performantes. La première méthode expérimentale utilisée une technique laser classique: la vélocimétrie par images de particules. La seconde technique mise en oeuvre est une méthode originale: la vélocimétrie par imagerie par résonance magnétique. Elle est utilisée pour la première fois au laboratoire pour la mesure de champ de vitesse d'écoulement de fluides complexes en conduite cylindrique, représentant l'intérêt majeur de cette thèse. La première partie de notre travail consiste en une description rhéologique complète de nos fluides modèles avec la détermination de leur loi de comportement et la mise en évidence de leurs propriétés viscoélastiques, par ailleurs négligeables. Par la suite les mesures de champ de vitesse des écoulements bidimensionnels étudiés et la représentation des lignes de courant montrent que les propriétés rhéofluidifiantes influencent très fortement la structure et la morphologie de ces écoulements et le comportement des zones de recirculation. Par une étude fine nous observons qu'il existe une compétition entre les effets d'inertie et les effets rhéofluidifiants induisant un champ de contrainte variable qui modifie le positionnement et la taille de la zone de recirculation. Nous montrons également que l'augmentation du caractère rhéofluidifiant affaiblit son intensité de la zone de recirculation. Enfin, des simulations numériques utilisant la loi de comportement macroscopique déterminée par rhéométrie classique ont été réalisées avec le logiciel Fluent. Une bonne concordance est observée entre les résultats de ces simulations numériques et les expérimentaux. Cette comparaison permet ainsi de valider le code de calcul et la loi de comportement, utilisée pour les simulations numériques au travers de sa modélisation suivant la loi de Cross, pour les écoulements considérés.
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Cette thèse est une étude expérimentale des écoulements forcés de fluides sous leur propre poids à travers un orifice. La première partie traite des écoulements de fluides newtoniens. Une étude récente a montré que pour un écoulement de fluide peu visqueux à travers un orifice de taille comparable à la longueur capillaire, l'effet du mouillage était important. Il impacte le débit et la forme du jet. Nous avons développé une méthode originale utilisant d'une résine photosensible comme revêtement de surface afin de varier de façon continue les conditions de mouillage de la surface extérieure de la plaque de fond du réservoir. Ainsi, nous avons montré que le paramètre contrôlant du débit est très probablement l'angle de contact statique formé par le fluide sur le matériau constituant cette surface. Nous avons établi les conditions d'existence de la déformation du jet et montré que cette perturbation est induite par un couplage entre le mouillage et la génération de turbulence à l'intérieur de l'orifice, liée au phénomène de vena contracta. La seconde partie de cette thèse porte sur les écoulements de fluides viscoélastiques. Les expériences menées révèlent que ces solutions présentent un débit oscillant dévoilant ainsi une dynamique très riche. Contrairement aux fluides newtoniens, l'écoulement est piloté par le comportement du fluide complexe à l'intérieur de la cuve, et non au niveau de l'orifice. Deux méthodes de visualisation : par biréfringence sous écoulement et par PIV, ont été mises au point pour explorer la dynamique des écoulements de solutions de micelles géantes à l'intérieur de la cuve. Ces expériences ont permis de montrer que le cisaillement du fluide dans la cuve était très localisé et que la zone de cisaillement se déplace tout au long de la vidange. Nous avons également pu mesurer le champ de vitesse au sein de la cuve. Ces mesures ont pu démontrer la complexité de la dynamique du fluide, qui présente notamment des recirculations autour de la zone de cisaillement.
Author: Yao Agbessi Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Quand on augmente le nombre de Reynolds d'un écoulement, il passe progressivement d'un état ordonné, laminaire, à un état chaotique, turbulent. Lors de cette transition, on voit apparaître des structures hydrodynamiques ordonnées qui se désordonnent sous l'effet de déstabilisations successives. Ces structures peuvent poser problème lorsqu'on souhaite par exemple homogénéiser des suspensions car des particules peuvent s'y retrouver piégées et générer des zones sur ou sous-concentrées. La plupart des fluides naturels et industriels sont non newtoniens. Pour mieux comprendre et contrôler l'apparition des structures hydrodynamiques dans de tels fluides, nous nous sommes intéressés dans le cadre de cette thèse, aux mécanismes d'instabilités gouvernant la transition vers la turbulence de fluides complexes dans la configuration simplifiée de Taylor-Couette. Dans un premier volet théorique et numérique, les concepts d'instabilités hydrodynamiques ont été appliqués à l'écoulement de Taylor-Couette pour trois modèles rhéologiques : la loi de puissance, le modèle de Carreau et le modèle de Bingham. Deux rapports de rayons et différentes vitesses de rotation des deux cylindres ont été considérés. La déstabilisation de l'écoulement de Couette circulaire a été étudiée pour prédire l'apparition de structures telles que les rouleaux de Taylor-Couette aux temps longs. Une analyse aux temps courts a également été effectuée pour étudier les phénomènes de croissance transitoire dans l'écoulement. Dans un second volet expérimental, un dispositif de Taylor-Couette en plexiglas a été élaboré. Dans un premier temps, des mesures de couple avec un fluide newtonien (glycérol) ont été réalisées et comparées avec succès avec les résultats de la littérature. Des mesures rhéométriques ont ensuite été réalisées pour choisir des fluides répondant aux lois rhéologiques utilisées dans le volet théorique. Des visualisations ont été effectuées pour détecter l'apparition des instabilités et les conditions critiques ont été comparées aux prédictions de l'analyse linéaire de stabilité. Des mesures de vélocimétrie par image de particules (PIV) ont été aussi effectuées pour déterminer les champs de vitesse de l'écoulement. Ces différentes études ont permis de mettre en évidence le caractère sous-critique et l'apparition d'un écoulement chaotique engendrés par le caractère rhéofluidifiant des fluides.
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Le but de ce travail expérimental est de caractériser les écoulements inhomogènes dans deux systèmes distincts : une solution de micelles géantes et des émulsions concentrées. Une étude rhéologique "classique" ne suffit pas car elle ne renseigne en rien sur la structuration spatiale de l'écoulement. Grâce à deux techniques de vélocimétrie locale (la diffusion de lumière en mode hétérodyne et un dispositif de vélocimétrie ultrasonore mis en place au cours de cette thèse), nous sommes capable de mettre en évidence des écoulements inhomogènes dans les deux systèmes, et également de résoudre la dynamique spatiale et temporelle des champs de vitesse. L'existence d'une dynamique rapide de l'écoulement dans la solution de micelles géantes est ainsi mise en évidence. Des expériences transitoires révèlent en outre une mise à l'équilibre extrêmement lente de ce système associée à la croissance d'une bande fortement cisaillée. Cette étude nous permet également d'accéder au comportement rhéologique local de différentes émulsions concentrées. Il apparait alors que la formulation des émulsions, et en particuleir les interactions entre gouttelettes, ont une influence notable sur le comportement en écoulement de ces systèmes.
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Une méthode d'identification inverse des données d'écoulement de compression de fluides homogènes à seuil est développée. Cette approche permet d'évaluer le taux de déformations moyen caractéristique du cisaillement moyen au sein de l'échantillon testé à chaque instant de l'essai. Le processus d'identification inverse d'un comportement rhéologique est mis en œuvre sous la forme d'algorithmes intégrant un calcul itératif. Ces algorithmes de calcul sont développés de façon à construire point par point la courbe d'écoulement caractéristique du comportement apparent du fluide testé en présence d'un écoulement adhérent et son comportement tribologique dans le cas d'un écoulement glissant avec frottement. Le principe de la méthode inverse et les algorithmes de calcul sont validés sur des données simulées de compression de fluides modèles en écoulement adhérent ou glissant. Les outils d'analyse sont ensuite appliqués avec succès aux données expérimentales de compression de différents fluides
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Les écoulements de fluides complexes à l'échelle sub-micronique est une problématique rencontrée dans des domaines aussi divers que la récupération assistée du pétrole ou la lubrification des surfaces. Un fluide complexe a des propriétés rhéologiques riches, dues à la présence d'objets déformables en solution, comme les pelotes de polymère. Les phénomènes de surface, comme le glissement jouent un rôle important aux petites échelles. La question de l'effet du confinement sur la rhéologie de solutions de polymères est abordée. Nous caractérisons la taille des objets en solution et la rhéologie volumique des fluides. Grâce au développement d'une technique de photobleaching de fluorescence pour la mesure de vitesse d'écoulement dans des canaux sub-microniques, nous déterminons la viscosité effective des fluides en géométrie confinée. Cette approche expérimentale nous permet de montrer que le confinement induit une diminution de la viscosité effective des fluides. Une mesure directe des vitesses et longueurs de glissement est réalisée en microcanaux par vélocimétrie de particules (micro-PIV). Ces données mettent en évidence une réduction du glissement en géométrie confinée, qui est interprétée en termes de modification du mécanisme de glissement. Une distinction entre le comportement volumique et les phénomènes de surface ne permet plus de rendre compte du comportement du fluide à l'échelle sub-micronique. Une étude préliminaire des écoulements de solutions de tensioactifs à l'échelle sub-micronique est également proposée.
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La vidange d'un réservoir à travers un orifice a été décrite par Torricelli il y a presque 400 ans. Son modèle ne prévoit aucun effet du mouillage du fluide qui s'écoule sur la plaque percée. Cette thèse montre expérimentalement que pour un orifice de taille comparable à la longueur capillaire, pour des fluides newtoniens peu visqueux, l'effet du mouillage sur le débit est important. Un modèle calculant la variation d'énergie cinétique dans le ménisque à la sortie du trou rend compte des observations expérimentales. Une instabilité, inconnue, du jet en sortie du trou apparaît également ; l'oscillation de la ligne triple du ménisque en est la cause. Les relations de dispersion de la fréquence d'excitation et des fréquences secondaires apparaissant le long du jet ont été établies.Cette étude a été complétée par des écoulements de fluides visqueux et viscoélastiques. Pour les fluides visqueux, le modèle d'écoulement du fluide parfait est corrigé à partir de nos expériences. Pour les fluides viscoélastiques, les expériences montrent qu'il y a compétition entre les dissipations visqueuses et les effets élastiques tout le long de l'écoulement. La prédiction de ces deux effets n'est pas aisée. Nous montrons des situations où les effets élastiques prédominent, permettant à une solution de polymère de couler plus vite que de l'eau.Pour finir, un second système expérimental a été construit permettant l'écrasement de fluides complexes entre deux plaques de verre parallèles. La visualisation, la mesure de la position et de la force normale, permettent de mieux comprendre le comportement de systèmes tels que les mousses, les émulsions, les gels sous une contrainte normale.
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La relation scalaire entre contrainte et déformation obtenue par le cisaillement simple dans les rhéomètres classiques n'est pas assez riche pour décrire les écoulements complexes. Pour obtenir plus d'information, nous superposons deux écoulements orthogonaux en utilisant la géométrie plan-plan. Le fluide, sous forme cylindrique, peut alors être cisaillé par la rotation mais aussi écrasé par le rapprochement (ou étiré par l'éloignement) des disques. Nous détaillons les calculs théoriques permettant de déterminer les liens entre contraintes et taux de cisaillement et les efforts et vitesses macroscopiques associés. Ensuite, nous décrivons précisément le dispositif expérimental mis en place pour imposer toutes sortes d'écoulements combinant des cisaillements stationnaires ou oscillants, en rotation ou en écrasement. Puis nous présentons les résultats de la comparaison entre l'écoulement de rotation et l'écoulement d'écrasement. Nous présentons enfin les expériences de superposition des deux écoulements. Nous créons des écoulements complexes et divers afin, entre autres, de mesurer et comprendre la loi d'écoulement 3D et le critère d'écoulement 3D des fluides à seuil.
Author: Abdoulaye Fall Publisher: Omniscriptum ISBN: 9786131572036 Category : Languages : fr Pages : 204
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Ce travail exp rimental s'articule autour de deux aspects rencontr s chez les fluides complexes: le seuil d' coulement et le seuil de rh o paississement. Dans un premier temps, nous avons tudi l'origine du seuil d' coulement. Nous avons, partir de techniques de rh ologie classique et locale par IRM, montr que le seuil d' coulement des suspensions mod les n'est observ que par l'introduction d'un contraste de densit entre les particules et le fluide suspendant. Ce contraste de densit introduit alors une consolidation l' chelle des particules. Le seuil d' coulement appara t alors sans aucune s dimentation macroscopique de l' chantillon. Dans un second temps, nous avons tudi un ph nom ne de structuration dynamique, sous coulement: le rh o paississement. Ainsi, nous montrons que le rh o paississement de la suspension de f cule de ma s est une cons quence directe de la dilatance de Reynolds. Par ailleurs, le syst me mod le, contrairement la suspension de f cule de ma s, pr sente un rh o paississement qui est accompagn d'un r gime de localisation qui devient responsable d'un blocage partiel de l' coulement dans l'entrefer de la g om trie de Couette.
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Aborder d'une manière nouvelle les phénomènes hydrodynamiques en privilégiant les mécanismes physiques élémentaires et en évitant la lourdeur des formalismes mathématiques, tel était l'objectif que s'étaient fixé Etienne Guyon, Jean-Pierre Hulin et Luc Petit lors de la première édition de cet ouvrage en 1991. Objectif largement atteint puisque l'ouvrage, réimprimé à plusieurs reprises, traduit en anglais et en allemand, est devenu un "classique" de la mécanique des fluides, utilisé tant par les chercheurs que par les étudiants des universités, des classes préparatoires et des grandes écoles. Si l'esprit de cette nouvelle édition reste conforme à celui de la précédente et le sujet centré sur le comportement des fluides et les outils expérimentaux de leur analyse, il s'agit ici d'une version entièrement remise à jour et, surtout, dont la thématique a été significativement élargie à de nouveaux domaines : des développements et chapitres nouveaux sont consacrés à la dynamique du mouillage, aux propriétés des milieux poreux et des suspensions, à l'écoulement des fluides complexes, aux écoulements en rotation, à la turbulence... Autant de secteurs dans lesquels de fécondes applications ont vu le jour récemment, tant en génie des procédés physico-chimiques qu'en sciences de la Terre ou en climatologie. Cette nouvelle édition, dont le caractère pédagogique a été renforcé, répondra à la demande toujours vive que l'ouvrage suscite parmi les étudiants et les enseignants des formations supérieures.
Author: Claire Rigal
Author: Claire Rigal
Author: Lucile Favreau
Author: Yao Agbessi
Author: Lydiane Bécu
Author: Patrice Estellé
Author: Amandine Cuenca
Author: Jérémy Ferrand
Author: Quentin Barral
Author: Abdoulaye Fall
Author: Etienne Guyon