J'ai étudié expérimentalement, à l'échelle de la taille des particules, les mécanismes à l'origine de l'intensification des transferts ayant lieu dans les suspensions cisaillées de particules non-inertielles et non-Browniennes. Dans un premier temps, l'expérience de Taylor est revisitée en étudiant l'évolution d'une goutte de colorant soumise à un cisaillement périodique. Au-delà d'une amplitude critique de déformation, la présence des particules brise la réversibilité du système et induit une forte dispersion de la goutte de colorant. Ensuite, en m'intéressant au transfert en proche paroi, j'ai montré que la rotation des particules sur la paroi induit un transport à flux constant d'un scalaire jusque dans le bulk de la suspension, brisant la couche limite diffusive. Une solution analytique du profil de concentration dans cette zone est proposée, en bon accord avec les expériences. Finalement, des mesures PIV haute résolution du fluide interstitiel dans le bulk de la suspension ont été réalisées. A partir de ces champs de vitesses, on a reconstruit l'historique d'étirement de lignes matérielles du fluide et ainsi déterminé les lois d'étirement, information fondamentale pour la compréhension du processus de mélange. La présence des particules change les lois d'étirement qui passent de linéaires dans un fluide pur, à exponentielles en présence de particules. Un modèle d'étirements multiplicatifs est proposé, qui prédit quantitativement l'évolution de la moyenne, de la variance, et la forme log-normale des distributions d'étirements mesurées expérimentalement. L'inhomogénéité des étirements dans les suspensions cisaillées implique une large distribution du temps de mélange. / Mainly based on experiments, I investigated at a particle scale the mechanisms at the origin of the transfer enhancement in sheared non-Brownian and non-inertial particulate suspensions. First, I revisited Taylor's experiment, investigating the evolution of a drop of dye in a periodic shear. Beyond a critical strain amplitude, the presence of the particles breaks the reversibility of the system and the drop of dye is rapidly dispersed in the surrounding medium. Then, investigating the transfer process in the wall vicinity, I showed that in this region, the rotation of the particles convectively transport a scalar at a constant rate directly from the wall towards the bulk of the suspension, breaking the diffusive boundary layer. An analytical solution for the concentration profile in this region is proposed, in good agreement with experimental measurements. Lastly, high-resolution PIV measurements of the fluid phase were performed in the bulk of the suspension. Using these velocity fields, we reconstructed the stretching histories of fluid material lines to determine the stretching laws, crucial for the understanding of the mixing process. The presence of the particles changes the very nature of the stretching laws from linear, in a pure fluid, to exponential in the presence of particles. A multiplicative stretching model is proposed, which quantitatively predicts the experimentally measured evolution of the mean and the variance of the elongations of the fluid material lines as well as their evolution towards a log-normal distribution. The strong stretching inhomogeneity in sheared suspensions results in a broad distribution of the mixing time.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2016AIXM4719 |
| Date | 26 September 2016 |
| Creators | Souzy, Mathieu |
| Contributors | Aix-Marseille, Abid, Nora Chérifa, Metzger, Bloen |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | French, English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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