X-ray Imaging of flowing suspensions
A key element to understand the rheological behavior of suspensions is their microstructure: the spatial distribution of particles depends on flow history, which has an impact on the suspension macroscopic properties. This appeals for the development of experimental tools allowing for the 3D imaging of particles in viscosimetric flows.
At a macroscopic scale, concentrated suspensions often display concentration inhomogeneities, due to shear-induced migration. These inhomogeneities can lead to the formation of jammed regions, which have a strong impact on the measured behavior. It is crucial to describe this phenomenon near the jamming transition and in shear-thickening fluids. It is thus necessary to develop new tools to get time- and spatially-resolved concentration fields in flowing suspensions.
In this talk, we present recent developments to tackle these issues with the help of X-ray Imaging.
We first present a technique to image the microstructure of suspensions of non-Brownian particles in 3D, using X-ray computed tomography and sub-voxel identification of particle centers. We illustrate its interest on a few examples. We show that one can get an isotropic microstructure after mixing. Under shear, the microstructure becomes anisotropic in the shear plane, whereas it is isotropic in the 2 other planes. While for Newtonian suspensions the anisotropy is independent on the shear rate, we show that for a yield-stress suspension it depends on it; this implies a shear-dependent behavior of the suspension. Finally, we evidence particle alignment along both solid surfaces and free interfaces.
We then present a technique to get time-resolved 2D concentration fields in a rheometric flow, thanks to 2D X-ray radiography. We illustrate its interest for shear-thickening fluids. We show that most suspensions display strong concentration inhomogeneities at the onset of Discontinuous Shear thickening (DST), which poses the question of the intrinsic (local) behavior of DST suspensions and might lead to revisit the interpretation of this behavior.
S. Deboeuf, N. Lenoir, D. Hautemayou, M. Bornert, F. Blanc, G. Ovarlez, Imaging non-Brownian particle suspensions with X-ray tomography: application to the microstructure of Newtonian and viscoplastic suspensions, Journal of Rheology 62, 643-663 (2018).
M. Gholami, A. Rashedi, N. Lenoir, D. Hautemayou, G. Ovarlez, S. Hormozi, Time-resolved 2D concentration maps in flowing suspensions using X-ray, Journal of Rheology 62, 955-974 (2018).
Les fluides biologiques des macromolécules aux cellules individuelles aux tissus. Rôle des propriétés rhéologiques sur l’émergence et le maintien de fonctions physiologiques
1) Les grands fluides biologiques dans les systèmes vivants et les différentes fonctions physiologique assurées.
2) Propriétés rhéologiques du sang et de ses constituants cellulaires pour une microcirculation adéquate.
3) Clairance mucociliaire dans les bronches, rôle de la rhéologie du mucus. Systèmes actifs et auto-organisation.
4) Dynamique des tissus vivants. Eléments de mécanobiologie.
Couplage structure/écoulement dans les sytèmes viscoélastiques :
"transitions de phase" et instabilités hydrodynamiques
Les fluides complexes présentent souvent des propriétés
visco-élastiques, intermédiaires entre celles du fluide visqueux et du
solide élastique. Au contraire des fluides simples comme l'eau ou
l'huile, les fluides complexes possèdent une structure mésoscopique ou
supramoléculaire, dont les degrés de liberté sont facilement excitables
par les écoulements usuels. Ce couplage structure/écoulement peut
notamment induire des transitions de structure et des instabilités. En
particulier, les écoulements de fluides visco-élastiques sont souvent
instables dans des régimes où les effets inertiels sont négligeables.
Ces instabilités sont pilotées par les forces élastiques et conduisent à
des dynamiques spatio-temporelles complexes qui rappellent parfois la
turbulence inertielle. En pratique, elles sont l'un des principaux
facteurs limitant les procédés de transformation des polymères. En
revanche, elles pourraient être mises à profit pour mélanger
efficacement à petite échelle en l’absence d’inertie. Au cours de cette
présentation, j'introduirai la notion de couplage structure/écoulement à
travers différents exemples de systèmes polymériques (polymères
classiques et polymères vivants) s'écoulant dans diverses configurations
d'écoulement et je présenterai les signatures mécaniques globales
correspondantes. Pour chaque comportement, je décrirai l'effet de ce
couplage sur l'hydrodynamique des systèmes, montrant la nécessité d'une
caractérisation de l'écoulement à l'échelle locale.
Physique des suspensions granulaires
Je discute en premier lieu de la différence fondamentale entre suspensions de particules
en sédimentation et suspensions cisaillées, les premières étant dominées par les interactions
hydrodynamiques longues portées, tandis que les secondes sont pilotées principalement par des
effets géométriques découlant des contacts solides entre particules. Je présente ensuite des
résultats plus récents mettant en évidence le rôle crucial des contacts frictionnels sur la rhéologie
des suspensions granulaires denses ; d'abord en décrivant le modèle de transition frictionnelle
récemment proposé pour décrire le comportement rhéo-épaississant de certaines suspensions
denses, ensuite en présentant un nouvel outil rhéologique -le Capillarytron- permettant d’accéder
aux lois constitutives de ces suspensions. Enfin, je montre comment, au delà de la rhéologie, ces
nouvelles lois d’écoulement permettent d'expliquer l’émergence d’instabilités hydrodynamiques.
Viscoélasticité et dynamique moléculaire des polymères à l’état fondu
Dans un premier temps, l’exposé redéfinira la notion de viscoélasticité, appliquée aux polymères à l’état fondu, en tant que comportement dépendant du temps.
On l’illustrera en comparant les résultats issus de différents types d’expériences (en transitoire, stationnaire, en balayage fréquentiel). Ensuite, sur la base de la dépendance
en température de la fonction de relaxation, on montrera les possibilités d’extension des domaines temporel et fréquentiel via la construction de courbes maîtresses quantifiant
l’activation des mouvements moléculaires. L’effet des paramètres moléculaires du polymère (masse molaire moyenne, distribution de masses molaires, branchements, …) sera enfin
interprété sur la base de théories de dynamique moléculaire décrivant les mouvements locaux (à l’échelle des segments de chaîne) et plus globaux (à l’échelle de la macromolécule).
Nous présenterons alors un panorama des différents modèles existant à ce jour pour prédire le comportement viscoélastique des matériaux polymères en discutant leurs hypothèses,
l’accessibilité des paramètres et leur domaine d’application.
