L'exploitation minière des sables bitumineux requiert une succession de nombreuses opérations pour séparer le bitume, l'eau et le sable. La séparation solide/liquide fait intervenir un hydrocyclone. Afin de limiter l'ajout d'eau, l'hydrocyclone doit fonctionner dans des conditions inhabituelles correspondant à une concentration élevée à l'alimentation. Une étude expérimentale a permis de caractériser l'ensemble des régimes de fonctionnement, l'influence de la concentration et des caractéristiques géométriques. De plus, des simulations numériques ont été réalisées avec NEPTUNE_CFD@Tlse. Deux méthodes sont proposées pour modéliser les comportements observés à faible et à forte concentration. Les résultats numériques sont en bon accord avec les expériences sur toute la gamme de concentration. L'étude des phénomènes locaux permet une meilleure compréhension des mécanismes de séparation. / Tar sands beneficiation requires a series of processing steps for separation of bitumen, water and sand particles. In this process, hydrocyclones are used to separate sand from water and bitumen, thereby recovering additional bitumen and concentrating sand particles before sending them off to tailing ponds. In order to reduce fresh water consumption (environmental policy), hydrocyclones need to operate with high feed solids content, say 50% in mass, which lays outside their standard operating regime. The response and performance of hydrocyclones need to be understood under such stringent operating conditions. A pilot scale experiment was commissioned for testing a 100mm diam. hydrocyclone under different operating regimes of discharge and measuring the corresponding separation performance. Feed solids concentration and geometrical properties were varied extensively. Separation performance indicators, including partition curve, cut-size, sharpness index and water recovery to underflow were obtained by standard data reconciliation. The experimental data provided all the information required to test the CFD model that was derived to simulate the hydrocyclone. Eulerian simulations of the three-dimensional liquid-solid flow inside the hydrocyclone were carried out, using a multi-fluid model (NEPTUNE_ CFD@Tlse). The actual geometrical features and operating conditions of the hydrocyclone were accurately matched in the simulations. Two simulation approaches have been proposed for hydrocyclone modelling, depending on their operating under dilute conditions, with a spray discharge or dense conditions, with a rope discharge. Numerical simulation results are in good agreement with experiments. Local analysis of hydrodynamic features yields new insights into the behaviour of hydrocyclones at high feed solids concentration.

Cette étude se situe dans le contexte industriel de l'utilisation de superplastifiants pour la réalisation de bétons haute performance. Pour mieux comprendre le mode d'action des molécules fluidifiantes nous avons utilisé un système modèle constitué de suspensions de particules de carbonate de calcium l'une commerciale et constituée de microparticules et l'autre synthétisée au LPMC et constituée de nanoparticules. L'étude a porté sur cinq molécules organiques : quatre de type polyméthacrylates greffés polyoxyéthylène (PCP) avec des longueurs de greffons différentes et un diphosphonate polyoxyéthylène : OPTIMA100. La caractérisation des grandeurs pertinentes des fluidifiants comme leurs complexations vis-à-vis des ions ; leurs degré d'ionisation, leurs tailles, leurs affinités avec le solvant ou encore leurs capacités d'adsorption sur les surfaces a été effectuée. D'importantes différences d'efficacité de ces fluidifiants vis-à-vis de la rhéologie et de la sédimentation des deux types de suspension ont été mises en évidence. Ces différences de comportements on été interprétées grâce à la caractérisation effectuée sur les fluidifiants et à la modélisation des forces interparticulaires.

Cette étude se situe dans le contexte industriel de l’utilisation de superplastifiants pour la réalisation de bétons haute performance. Pour mieux comprendre le mode d’action des molécules fluidifiantes nous avons utilisé un système modèle constitué de suspensions de particules de carbonate de calcium l’une commerciale et constituée de microparticules et l’autre synthétisée au LPMC et constituée de nanoparticules. L’étude a porté sur cinq molécules organiques : quatre de type polyméthacrylates greffés polyoxyéthylène (PCP) avec des longueurs de greffons différentes et un diphosphonate polyoxyéthylène : OPTIMA100. La caractérisation des grandeurs pertinentes des fluidifiants comme leurs complexations vis-à-vis des ions ; leurs degré d’ionisation, leurs tailles, leurs affinités avec le solvant ou encore leurs capacités d’adsorption sur les surfaces a été effectuée. D’importantes différences d’efficacité de ces fluidifiants vis-à-vis de la rhéologie et de la sédimentation des deux types de suspension ont été mises en évidence. Ces différences de comportements on été interprétées grâce à la caractérisation effectuée sur les fluidifiants et à la modélisation des forces interparticulaires. / This study deals with the industrial context where the superplasticizers are used to manufacture the high performance cements. To better understand the action mode of plasticizing molecules, we used a model system which consists of calcium carbonate particles suspensions: in one hand, commercial microparticles suspension, and in the other hand, self synthesized nanoparticles suspensions. The study focuses on the use of five organic plasticizers: four types of polymethacrylates grafted polyoxyethylene (PCP) with different lengths of grafts, and a diphosphonate polyoxyethylene (OPTIMA100).Characterization of the plasticizers relevant parameters such as their complextation with the ions, their ionization degree, their size, their affinity with the solvent and their adsorption ability on the particles surfaces was performed. Significant differences in the effectiveness of these thinners regarding to the rheology and sedimentation of the two types of suspension were identified. These discrepancies in the behavior were interpreted by means of; the characterization performed on the thinners, and modeling of interparticle forces.

Lorsqu'une suspension colloïdale concentrée est soumise à une contrainte sa réponse dynamique peut être extrêmement non-linéaire. Nous présentons dans cette thèse une étude expérimentale de deux suspensions concentrées, auxquelles nous appliquons deux contraintes d'origines différentes : - une contrainte mécanique : on force la suspension concentrée à s'écouler, - une contrainte d'origine chimique : les interactions entre particules sont progressivement rendues attractives. Dans les deux cas, nous avons observé les mouvements des particules par diffusion multiple de la lumière multispeckle. Nous présentons aussi un nouveau traitement statistique des moments observés, adapté à la caractérisation des dynamiques intermittentes qui apparaissent. Une reformulation théorique de la diffusion dynamique multispeckle est de plus proposée au premier chapitre. La deuxième portion du manuscrit est consacrée à la construction du confocal rapide permettant l'observation directe des systèmes colloïdaux même à de très hautes concentrations, observation jusqu'à des fréquences supérieures à 20 images par seconde.

Le travail de cette thèse aborde le sujet de l’influence des particules non-pesantes et de taille macroscopique sur les écoulements en canal dans des conditions proches du seuil de la transition laminaire-turbulent. Les suspensions sont faiblement concentrées (fraction volumique φ = 5%). Le couplage hydrodynamique existant entre la phase dispersée et la phase continue est résolu numériquement par la Force-Coupling Method, et les particules sont suivies d’une façon lagrangienne. Dans un écoulement laminaire de Couette ou de Poiseuille plan, nous montrons que les contraintes induites par la phase solide augmentent avec l’inertie, et l’influence de la concentration est plus faible qu’en régime de Stokes. Les particules avancent avec un retard dans la direction de l’écoulement et migrent à travers les lignes de courant (effet Segré-Silberberg en Poiseuille). Les vitesses de migration et de glissement s’amplifient avec l’inertie et sont du même ordre de grandeur quand Rep = O(1). Quand les particules sont lâchées librement dans un écoulement de Poiseuille plan en-deça du seuil critique de transition à la turbulence, la suspension initiale- ment homogène (φ = 5%) devient stratifiée, après un temps d’écoulement de plusieurs dizaines d’unités de temps (rapport de la hauteur du canal sur la vitesse moyenne de l’écoulement). Après une centaine d’unités de temps, nous observons le développement d’une instabilité à l’interface entre la zone chargée en particules et la zone de fluide pur. Des motifs dunaires prennent place dans la direction de la vorticité. Ces motifs sont soutenus par des écoulements secondaires d’intensités faibles mais non-nulles. Dans un écoulement au-dessus du seuil de transition, nous avons étudié les profils des phases continues et dispersées et réalisé des visualisations 3D afin de comprendre pourquoi les particules macroscopiques diminuent le nombre de Reynolds critique de relaminarisation de l’écoulement. Nous observons que les particules provoquent une augmentation significative des fluctuations de vitesses dans les directions transverses et qu’elles modifient les structures rotationnelles de l’écoulement, qui deviennent plus petites, plus nombreuses et plus énergétiques (plus grandes vitesses de rotation). Le coefficient de frottement pariétal de l’écoulement de suspension en régime de transition est supérieur à celui de l’écoulement monophasique. Quand le nombre de Reynolds est diminué et que l’écoulement devient finalement laminaire, le coefficient de frottement pariétal rejoint la loi laminaire d’un écoulement monophasique, à condition de substituer la viscosité effective de la suspension à la viscosité du fluide dans l’expression du nombre de Reynolds. D’après nos résultats, la turbulence de l’écoulement de suspension est conservée jusqu’à des nombres de Reynolds bien inférieurs à celui de l’écoulement monophasique en canal, en accord avec les observations ex- périmentales de Matas, Morris et Guazzelli (PRL, 2003) pour une géométrie cylindrique. Par ailleurs, nous montrons que selon le sens de la transition, laminaire → turbulent ou turbulent → laminaire, le nombre de Reynolds critique de transition d’un régime à l’autre n’est pas le même. Nous n’avons pas observé d’influence significative de la concentration en ce qui concerne la valeur du nombre de Reynolds critique de relaminarisation pour les deux concentrations étudiées (φ = 2.5% et 5%). / This PhD addresses the influence of macroscopic and neutrally buoyant particles on the channel flows close to the laminar-turbulent transition regime. The suspension flow is moderately concentrated (solid volumetric concentration _ = 5%). The hydrodynamic coupling between the dispersed and carrier fluid is numerically resolved using the Force-Coupling Method approach. Particle trajectories are obtained by lagrangian tracking. In laminar wall-bounded flows, we show that the stress induced by the solid phase increases with inertia, and that the effect of the concentration is weaker than in the Stokes regime. The particles lag the flow and they migrate across the streamlines (Segré-Silberberg effect in Poiseuille flow). The migration and slip velocities are of the same order of magnitude for Rep = O(1). When the particles are freely suspended in a Poiseuille flow below the transition threshold, the initially homogeneous suspension (_ = 5%) becomes stratified after several ten time units (channel height/average flow velocity). After a hundred time units, the different rheological properties of the suspension segregated parts induce an instability yielding the formation of dune-like patterns, sustained by weak but finite secondary flows. In the fluctuating flow regime, we studied the profiles of the continuous and dispersed phase and realized 3D visualizations in order to understand why finite size particles delay the relaminarization threshold. The particles induce a significant increase of the velocity fluctuations in the transverse directions and they modify the rotational flow structures, which become smaller, more numerous and more energetic (larger rotation velocity). The wall-friction coefficient of the suspension flow in the transition regime is larger than the single-phase flow case. When the Reynolds number is decreased and the flow becomes laminar, the friction coefficient recovers the laminar law of a single phase flow provided that the fluid viscosity is replaced by the effective suspension viscosity in the Reynolds number definition. Our results clearly show that the two-phase channel flow turbulence is conserved down to a threshold well below the single phase flow limit, in agreement with the observations of Matas, Morris et Guazzelli (PRL, 2003) for a cylindrical geometry. In addition, we show that according to the transition direction, i.e. laminar 7! turbulent or turbulent 7! laminar, the switch from a regime to another does not occur at the same critical Reynolds number. Finally, in the limit of moderately concentrated (_ = 2.5−5%) suspension flow in a channel, the concentration has no significant influence on the critical Reynolds number.

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.

Nous reportons ici le comportement rhéologique de suspensions concentrées - ou pâte - de particules granulaires ou colloïdales de ciment ou de silice sphérique et monodisperse. Le système modèle de particules de silice est utilisé pour pouvoir contrôler les propriétés physicochimiques de la suspension. Notre projet de recherche se centre sur deux points qui s'intéressent aux propriétés du coulis frais : (i) le premier est l'étude du processus de structuration par coagulation au repos et sa relation avec la prise. Nous avons utilisé des outils (ultrason, confocal) adaptés pour suivre et interpréter la coagulation et la prise du ciment.(ii). Le second est l'étude d'un phénomène de structuration dynamique, sous écoulement, typique des suspensions très concentrées et appelé " jamming ". Nous montrons que l'apparition de ce régime d'encombrement va de pair avec des fluctuations géantes de contraintes, avec une statistique caractéristique des événements critiques auto-organisés. L'état de surface des grains et du frottement intergranulaire est un paramètre important dans le blocage sous cisaillement. La simultanéité des fluctuations des efforts normaux et des efforts tangentiels aussi que des visualisations microscopiques suggère fortement que la formation de chaînes de contacts frottants est à l'origine du phénomène.