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Fiche détaillée Thèses
Université Nice Sophia Antipolis (01/12/2011), Elisabeth Lemaire (Dir.)
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Rhéologie et microstructure des suspensions concentrées non browniennes
Frédéric Blanc1

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 de 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.
1 :  LPMC - Laboratoire de physique de la matière condensée
Rhéologie locale – suspension concentrée – PIV – PTV – microstructure – fonction de distribution de paires

Rheology and microstructure of non Brownian concentrated suspensions
The subject of this thesis is an experimental study of the shear-induced microstructure in non-Brownian suspensions and its relation to the material rheological response, with a particular interest in the role played by the contact between particles. To this purpose, two experimental set-ups were developed. The first one, based on a Particle Image Velocimetry technique, allows local rheometry measurements through the determination of the velocity profile in the sheared suspension. In the second type of experiment, every single particle is tracked, making the shear-induced microstructure available. After a shear reversal, the measured viscosity undergoes a quick decrease before it increases again toward the stationary value. While the stationary viscosity scales as ( Φ*-Φ)-2 when the volume fraction Φ approaches the packing fraction Φ*, the minimum viscosity scales as ( Φ*-Φ)-1. These two different scalings are explained by the important role played by the contact between particles and the microstructure in the suspension rheology. In dilute suspensions, the microstructure, as measured by the pair distribution function, shows fore-aft asymmetry and a tilt angle with respect to the velocity axis. From this result, that is well explained by a model based on particle pair trajectories, we can conclude that contact occurs between the particles due to roughness. For larger concentrations, the depleted zone tilts toward the recession axis, and a high probability area appears in the velocity direction.
Local rheology – concentrated suspension – PIV – PTV – microstructure – pair distribution function

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