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Actuellement l'état des connaissances sur l'hydrodynamique et la thermique des écoulements de suspensions newtoniennes et non newtoniennes ne permet pas de bien appréhender les problèmes liés à la stérilisation des écoulements chargés en particules dans l'industrie alimentaire. A ce jour, l'influence de la phase des particules solides sur l'écoulement n'est toujours pas très bien connue et pourtant c'est elle qui détermine la rhéologie du mélange et donc toute la Thermomécanique de ces écoulements. Les objectifs de ce travail expérimental sont de vérifier si les modèles rhéologiques établis pour des suspensions de particules de structure microscopique peuvent s'appliquer à des suspensions de "grosses" particules et d'expliquer les problèmes liés aux mécanismes de transfert de chaleur entre la suspension et la paroi. Les études menées, ont montré que le modèle de milieu effectif est efficace dans l'analyse de la perte de charge pour les fluides newtonien et non newtonien, en régimes laminaire et turbulent en situation isotherme. La migration latérale des particules vers l'axe de la conduite contribue à la modification de la rhéologie du mélange. La sédimentation observée et les interactions entre le fluide porteur et les particules sont à l'origine de la non homogénéité des suspensions en écoulement isotherme. Le transfert thermique est influencé par les particules. Le développement de la couche limite thermique est perturbé par la présence des particules. L'objectif est la maîtrise de la stérilisation en continu, des fluides alimentaires chargés de particules, par procédés thermiques. Le fluide porteur s'organise en anneau monophasique qui entoure la zone des particules au centre du tube. Cette organisation de l'écoulement chargé est néfaste puisqu'il fait émigrer les particules vers la zone froide où la stérilisation est difficile.
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DANS LE CADRE D'UN PROJET EUROPEEN F.L.A.I.R., L'ETUDE DU LEMTA-CNRS A PORTE SUR UN MELANGE DE SPHERES DANS DES LIQUIDES NEWTONIENS ET NON NEWTONIENS DE VISCOSITES OU CONSISTANCES VARIABLES. LA GEOMETRIE D'ECOULEMENT SE DIVISE EN UN TUBE SIMPLE SUIVI D'UNE SUCCESSION DE CONVERGENTS-ELARGISSEMENTS BRUSQUES DESTINES A BRASSER LE FLUIDE. UN ELEMENT CHAUFFANT EN CUIVRE, IDENTIQUE A LA GEOMETRIE, A PERMIS DE DETERMINER LES COEFFICIENTS D'ECHANGE LIQUIDE-SPHERE ET LES LOIS DE TRANSFERT DE CHALEUR PAROI-MELANGE. UN FILM VIDEO A ETE REALISE POUR SUIVRE LE COMPORTEMENT DES SPHERES BAIGNANT DANS DIFFERENTES CONCENTRATIONS NON NEWTONIENNES COULANT DANS LE TUBE ET LA GEOMETRIE. IL MONTRE L'ACCUMULATION DE DEBRIS SOLIDES EN AVAL DE L'ELARGISSEMENT BRUSQUE POUVANT CONDUIRE A L'ENCRASSEMENT DANS LE CAS DE FORTES CONCENTRATIONS DE SPHERES. LE SECOND RESULTAT MONTRE L'APPARITION PRECOCE DE LA TURBULENCE DANS LA GEOMETRIE, A DES NOMBRES DE REYNOLDS FAIBLES (RE=200). POUR LE TUBE, L'INTRODUCTION DE SPHERES ACCROIT LA PERTE DE CHARGE ET RENFORCE LE CARACTERE NON NEWTONIEN DU MELANGE. UNE PREMIERE CAMPAGNE DE MESURE PAR VELOCIMETRIE LASER A DONNE LE CHAMP DE VITESSE DANS LA GEOMETRIE COMPLEXE. UNE DEUXIEME CAMPAGNE METTANT EN UVRE LA TECHNIQUE ELECTROCHIMIQUE, A PERMIS L'IDENTIFICATION DES REGIMES D'ECOULEMENT DIPHASIQUES. DANS LA GEOMETRIE, LE GRADIENT DE VITESSE PARIETAL EST NETTEMENT ACCRU POUR LES MELANGES LIQUIDES NON NEWTONIENS-SPHERES. DE MEME, ON CONSTATE UN ACCROISSEMENT DU TAUX DE FLUCTUATION DU GRADIENT PARIETAL DE VITESSE. LES DIFFERENTES SOLUTIONS NON-NEWTONIENNES ETUDIEES ONT MONTRE UNE ETROITE DEPENDANCE DU GRADIENT PARIETAL DE VITESSE AVEC LES INTERACTIONS PARTICULE-LIQUIDE, LA VISCOSITE DU LIQUIDE SUSPENDANT LIMITANT LES PROPRIETES DIFFUSIONNELLES DES SPHERES. CECI A ETE CONFIRME PAR L'ETUDE THERMIQUE
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LES EXPERIENCES EFFECTUEES ONT PORTE SUR CERTAINES CARACTERISTIQUES LOCALES ET GLOBALES DE L'ECOULEMENT SOLIDE-LIQUIDE EN CONDUITE HORIZONTALE. LES PRINCIPALES CARACTERISTIQUES ETUDIEES SONT: LA MESURE DU CHAMP DES VITESSES, LA DETERMINATION DE LA DISTRIBUTION DE CONCENTRATION DES PARTICULES SOLIDES EN SUSPENSION ET LA MESURE DE LA PERTE DE CHARGE; LA MESURE DE LA VITESSE DE GLISSEMENT LOCALE ET LA DETERMINATION SIMULTANEE DES PROFILS DE CONCENTRATION DU TRACEUR ET DES PARTICULES SOLIDES; LA PROPOSITION D'UN MODELE SOUS FORME D'UNE LOI A PUISSANCE ENGLOBANT TOUS LES PARAMETRES LOCAUX ET GLOBAUX POUR LA DETERMINATION DE LA VITESSE MOYENNE DE GLISSEMENT SOLIDE-LIQUIDE DE L'ECOULEMENT. CE TRAVAIL A NECESSITE UNE AMELIORATION DE LA METROLOGIE PARTICULIERE UTILISANT LA METHODE DE VELOCIMETRIE A ULTRASONS PULSES
Author: Adel El Ouardighi Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 314
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On se propose d'étudier numériquement et expérimentalement les lois de l'écoulement et du transfert de chaleur pour des fluides newtoniens et non newtoniens thermodépendants, en écoulement laminaire dans une conduite cylindrique de section circulaire et dans un espace situé entre deux plaques planes semi-infinies, chauffées à la paroi à densité de flux de chaleur ou à température constantes. On s'intéresse aux fluides pseudoplastiques dont le comportement peut être modélisé par la loi puissance d'Ostwald. On met clairement en évidence l'incidence d'un champ thermique imposé sur la distribution des vitesses, sur les lois de perte charge et sur les lois de transfert de chaleur qui en résultent. Outre les paramètres classiques, on propose pour le coefficient de frottement et le coefficient d'échange de chaleur des corrélations, qui tiennent compte d'un nouveau groupement adimensionnel dû à la thermodépendance
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ON RAPPELLE LA CLASSIFICATION DES MATERIAUX ET DES REGIMES D'ECOULEMENT DES MELANGES LIQUIDES-SOLIDES ET LES LOIS CLASSIQUES CORRESPONDANTES. ON ETUDIE LES POSSIBILITES D'UTILISATION ET L'ETALONNAGE D'UN TUBE DE VENTURI POUR LA MESURE DU DEBIT. POUR LES ECOULEMENTS DE SUSPENSIONS EN CONDUITE L'ANALYSE DIMENSIONNELLE PERMET D'EXPRIMER LA PERTE DE CHARGE PAR UNE RELATION SIMILAIRE A CELLE DU FLUIDE TRANSPORTEUR SEUL. ON ETUDIE EXPERIMENTALEMENT L'EVOLUTION DU COEFFICIENT DE PERTE DE CHARGE EN FONCTION DES TERMES APPARAISSANT DANS LA RELATION ISSUE DE L'ANALYSE DIMENSIONNELLE. ON MONTRE AUSSI QUE LA PERTE DE CHARGE PEUT ETRE REDUITE PAR L'ADDITION AU MELANGE LIQUIDE-SOLIDE DE TRES FAIBLES QUANTITES DE PARTICULES DE PETIT DIAMETRE
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Dans ce travail, nous nous intéressons aux suspensions de sphères non colloïdales immergées dans un liquide newtonien. Malgré la simplicité du système, les écoulements de ces suspensions présentent des phénomènes complexes : blocage, rhéofluidification, contraintes normales anisotropes et migration des particules induite par le cisaillement. Ces effets non-newtoniens proviennent des forces de contact solide entre les particules lorsque la suspension devient suffisamment concentrée. La modélisation continue des écoulements tridimensionnels de suspension est présentée. Elle consiste en un modèle macroscopique à une phase proche du "Suspension Balance Model". La migration des particules est gouvernée par la divergence des contraintes normales de contact. En effet, au cours de l'écoulement, en raison de la présence de contraintes inhomogènes dans la phase particulaire, les particules migrent pour équilibrer cette inhomogénéité. Afin de décrire l'écoulement dans des géométries générales, le modèle utilise une loi constitutive indépendante du référentiel de travail proposée par Lhuillier [2009] pour la rhéologie des suspensions. Elle est inspirée des travaux de Rivlin et Ericksen [1955] et permet de prendre en compte la présence de contraintes normales anisotropes. La loi constitutive est discutée en détail. Les fonctions matérielles nécessaires sont construites à partir de données de simulations discrètes en cisaillement simple issues de la littérature. Son comportement pour des écoulements rhéométriques en cisaillement ou en extension est discuté, de même que les limites de son utilisation pour un écoulement général. L'implémentation numérique est réalisée par la méthode des volumes finis en utilisant le logiciel libre OpenFOAM. Le modèle et son implémentation sont validés par l'étude de problèmes classiques, tels que la migration de particules dans divers écoulements rhéométriques, la sédimentation de particules, la resuspension de particules en géométrie de Couette. L'écoulement complexe d'une suspension dans un tube rencontrant une expansion abrupte est également étudié. Finalement, l'écoulement d'une suspension en géométrie de Couette excentrée est étudié, et comparé à des mesures expérimentales de la littérature.
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De part leur ubiquité et les nombreux paramètres physiques les caractérisant, les suspensions concentrées (i. e. la dispersion de grains solides dans une matrice fluide) présentent des propriétés rhéologiques vastes et complexes. Cette étude se limite à des suspensions modèles de sphères rigides non colloïdales immergées dans un fluide newtonien, et à des écoulements où l’inertie et le mouvement brownien peuvent être négligés. Ce manuscrit présente une étude expérimentale de la microstructure des suspensions non-browniennes en écoulement et de son lien avec leur réponse rhéologique. Il explore le rôle important joué par les contacts dans la réponse mécanique de ces matériaux. Deux dispositifs expérimentaux ont pour cela été mis au point. Le premier, dit de rhéométrie locale, accède aux champs de vitesse de l’écoulement et aux quantités rhéologiques du matériau par le biais d’une technique de vélocimétrie par imagerie de particules. Le second, permet, grâce au suivi individuel des sphères solides, de réaliser une mesure directe de la microstructure de la suspension. Une étude en rhéométrie locale du régime transitoire mesuré après une inversion du cisaillement montre que la viscosité d’une suspension chute avant de revenir à la valeur du régime permanent. Alors que la viscosité à l’état stationnaire diverge avec une loi de puissance d’exposant -2 lorsque la concentration s’approche de la concentration de blocage, la viscosité minimale diverge avec un exposant -1. Ce résultat, mis en parallèle avec d’autres études de la littérature, montre le rôle important des contacts et de la microstructure sur la rhéologie des suspensions. La microstructure est étudiée à travers la fonction de distribution de paires. Pour des suspensions diluées, l’asymétrie amont-aval et l’inclinaison de la zone de déplétion est très bien reproduite par un modèle à deux particules et apportent une preuve d’un contact entre les sphères via les rugosités. A forte concentration, en plus d’une inclinaison de la zone de déplétion vers l’axe de dilatation, il apparaît une zone d’accumulation dans la direction de la vitesse qui traduit l’existence de doublets de particules orientés préférentiellement dans la direction de l’écoulement.
Author: Patrick Reghem Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 216
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L'objectif de ce travail est d'étudier la mécanique des fluides du mélange diphasique liquide-solide dans le cas général et dans le cas du coulis de glace en particulier. On étudie d'abord un mélange d'eau et de billes de polypropylène (diamètre 3.6mm, densité 889 kg/m3) puis un mélange eau-éthanol et glace (0.1mm, 916 kg/m3). Les fractions solides varient de 0 à 0.4, les vitesses débitantes de 0.1 à 4m/s (turbulent) pour des diamètres hydrauliques de 21.5 , 27 et 44,6mm. L'étude expérimentale est principalement basée sur des mesures de pertes de charge, des profils de vitesse et des visualisations d'écoulements horizontaux et verticaux dans des conduites droites, des coudes, des rétrécissements et des élargissements. Les différents régimes d'écoulement sont représentés sur des cartographies. Les résultats expérimentaux permettent de corréler le coefficient de perte de charge pour les conduites droites circulaires horizontales et dans le cas des écoulements ascendant et descendant.
Author: Thai Son Vu Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Au cours de ce travail, nous nous sommes attachés à prédire les caractéristiques rhéologiques de suspensions de particules dans des situations non newtoniennes. Nous avons tout d'abord étudié expérimentalement le comportement rhéologique de suspensions bidisperses de particules non colloïdales et non browniennes immergées dans un fluide à seuil dans les situations où les interactions entre particules sont hydrodynamiques (mécaniques). Nous avons montré que l'influence de la polydispersité des particules sur le module élastique et le seuil de contrainte de la suspension pouvait être décrit en utilisant un modèle d'empilement développé pour les matériaux granulaires secs. Deux relations analytiques simples permettant d'estimer le module élastique et la contrainte seuil d'une suspension non newtonienne polydisperse en fonction des caractéristiques des constituants ont alors été proposées et validées. Nous nous sommes ensuite intéressés à la prédiction des caractéristiques globales de suspensions contenant une forte concentration de particules de taille différente dans le cadre d'une approche par changement d'échelle. Pour cela, nous avons mis en uvre une approche par motifs morphologiques permettant la prise en compte de paramètres géométriques tels que la distribution de tailles des inclusions ou les distances entre particules voisines. Les résultats de ce modèle ont été validés par comparaison avec des données expérimentales de la littérature. Nous avons ensuite montré que les modèles morphologiques permettaient également de décrire l'évolution des modules complexes d'un matériau thixotrope subissant une transition de phase liquide-solide due à la croissance et la percolation d'un réseau de particules attractives. Dans la dernière partie de cette étude, nous avons étudié expérimentalement l'influence de l'histoire de cisaillement sur la structuration et la déstructuration d'une suspension colloïdale thixotrope.
Author: Fanou Zinsou Benoît Fagla
Author: FREDERIC.. HOAREAU
Author: MOHAMED ABDELHAFID.. TALBI
Author: Adel El Ouardighi
Author: RABESON.. RATSIMIALARIVO
Author: Manon Lassaigne
Author: Ayoub Badia
Author: Frédéric Blanc
Author: Patrick Reghem
Author: Thai Son Vu