Ecole Doctorale

SCIENCES POUR L'INGENIEUR : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique

Spécialité

Sciences pour l'ingénieur : spécialité Mécanique et Physique des Fluides

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

Rhéologie,Milieux granulaires,Suspensions,Cross-over thermique,Transition vitreuse,

Keywords

Rheology,Granular media,Suspensions,Thermal crossover,Glass transition,

Titre de thèse

Rhéologie des suspensions granulaires browniennes
Rheology of Brownian Granular Suspensions

Date

Mercredi 8 Décembre 2021 à 10:00

Adresse

Laboratoire IUSTI 5 rue Enrico Fermi 13013 Marseille Amphi Fermi

Jury

Directeur de these M. Olivier POULIQUEN Aix Marseille Université / IUSTI
Rapporteur M. Ludovic BERTHIER Université de Montpellier / Laboratoire Charles Coulomb
Rapporteur M. Éric CLéMENT Université de Paris
Examinateur Mme Élisabeth LEMAIRE Université de Nice / Laboratoire InPhyNi
Examinateur Mme Véronique TRAPPE Université de Fribourg (Suisse)
Examinateur M. Antoine BéRUT Université Lyon 1
CoDirecteur de these M. Yoël FORTERRE Aix-Marseille Université / IUSTI
Examinateur M. Romain MARI CNRS / LIPhy

Résumé de la thèse

Des avalanches sous-marines à la stabilité des sols en passant par les coulées de boue et le transport de sédiments dans les rivières, des matériaux travaillés sous forme de pâte ou d'émulsion à la production de plastique, ou encore pour comprendre comment les plantes sentent la gravité, les suspensions de sphères dures se rencontrent en géophysique, dans l'industrie et même en biologie. À première vue, ce sont des systèmes assez simples, puisqu'il ne s'agit que de particules rigides plongées dans un fluide. Cependant, le très grand nombre de particules en jeu ainsi que la complexité des contacts et des interactions électrostatiques et hydrodynamiques entre particules qui jouent un rôle non négligeable dès que la suspension est dense en font un objet d'étude compliqué, même pour le cas de particules sphériques dans un fluide newtonien. Jusqu'à présent, deux régimes distincts ont été largement étudiés : les sphères dures athermiques frictionnelles, pour lesquelles les forces électrostatiques et de Van der Waals sont négligeables, et les suspensions colloidales, pour lesquelles l'agitation thermique domine. Ces deux régimes sont des cas limites controlés soit par la pression de confinement, soit par l’agitation thermique. Les écoulements où les deux sont du même ordre manquent encore d'une description complète, malgré leur importance cruciale dans l'étude des écoulements réels. Si la pression de confinement est imposée par la gravité, comme c'est le cas sur un plan incliné (une configuration expérimentale qui a permis de grandes avancées pour la rhéologie des suspensions athermiques), la contrainte liée au poids adimensionnée par celle liée à l'agitation thermique, notée $iP$, est proportionnelle à $d^4$, avec $d$ le diamètre des particules. Le cross-over thermique concerne les particules dont le diamètre est compris entre 1 et 10 microns. En s'inspirant des expériences de plan incliné macroscopiques, nous avons conçu un plan incliné microscopique sous observation confocale, sur lequel nous faisons couler des suspensions micrométriques. Les profils de vitesse obtenus sont comparés à un modèle théorique qui étend aux écoulements à pression imposée le modèle d'Ikeda et al (2013) décrivant la rhéologie des suspensions denses browniennes et déformables dans le cross-over thermique. On sait qu'une augmentation de la fraction volumique conduit à une divergence de la viscosité. Pour les suspensions athermiques il s'agit de la transition de jamming, d'origine géométrique, se produisant à une fraction volumique $phi_J$, alors que pour les suspensions colloidales il s'agit de la transition vitreuse, qui se produit à $phi_G

Thesis resume

Hard spheres suspensions are present in a wide range of geophysical (submarine landslides, mud flow, soil stability, bedload transport...), industrial (paste processing, plastic production...) and even biological (gravity sensing in plants) domains. They might seem very simple systems at first sight, as it is just rigid particles in a fluid, but the number of particles and the complexity of interparticulate contacts, electrostatic and hydrodynamic forces as soon as the suspension is dense makes it a very tough object to study, even for spherical particles in a newtonian fluid. Until now, two distinct cases have been widely studied: frictional athermal spheres, for which electrostatic and Van der Waals forces are negligibles, and colloidal suspensions, where thermal agitation dominates. Ces deux régimes sont des cas limites controlés soit par la pression de confinement, soit par l’agitation thermique. Les écoulements où les deux sont du même ordre manquent encore d'une description complète These two regimes are limit cases controlled either by the confining pressure or by thermal motion. Flows for which both stresses are of the same order of magnitude are still lacking of a complete description, despite their crucial importance in understanding realistic flows. When the confining stress is imposed by gravity, such as down an inclined plane (an experimental design which allowed significant progresses in the description of granular flows), the dimensionless ratio between gravitational and thermal stress, written $iP$, scales in $d^4$ with $d$ the particle diameter. The thermal cross-over concerns particles between 1 and 10 micrometers in diameter. Inspired by macroscopic inclined plane experiments, we designed a microscopic inclined plane under confocal observation, using micron-size suspensions. We compare the experimental velocity profiles with a theoretical model that extends to pressure-imposed conditions the model of Ikeda et al (2013) for the rheology of soft and brownian suspensions in the thermal cross-over. It is known that an increase in the volume fraction leads to a divergence of the viscosity of the suspension. Athermal suspensions undergo a purely geometrical jamming transition at a given packing fraction $phi_J$, while colloidal suspensions undergo a glass transition at $phi_G