Local determination of the constitutive law of a dense suspension of non-colloidal particles through MRI

We investigate the flowing behavior of dense suspensions of non-colloidal particles, by coupling macroscopic rheometric experiments and local velocity and concentration measurements through MRI techniques. We find that the flow is localized at low velocities, and that the material is inhomogeneous; the local laws inferred from macroscopic rheometric observations must then be reinterpreted in the light of these local observations. We show that the short time response to a velocity step allows to characterize dense suspensions locally: they have a purely viscous behavior, without any observable influence of friction. In the jammed zone, there may be a contact network, whereas in the sheared zone there are only hydrodynamic interactions: localization consists in a change in configuration at the grain scale. From the concentration and velocity profiles, we have provided for the first time local measurements of the concentration dependence of viscosity; we find a Krieger-Dougherty law $\eta(\phi)=\eta_0(1-\phi/0.605)^{-2}$. Shear induced migration is almost instantaneous and seems inconsistent with most observations: it would imply that the diffusion coefficients strongly depend on the concentration. We finally propose a simple constitutive law for dense suspensions, based on a purely viscous behavior, that accounts for all the macroscopic and local observations.Comment: Submitted to the Journal of Rheolog

Breaking of non-Newtonian character in flows through a porous medium

International audienceFrom NMR measurements we show that the velocity field of a yield stress fluid flowing through a disordered well-connected porous medium is very close to that for a Newtonian fluid. In particular, it is shown that no arrested regions exist even at very low velocities, for which the solid regime is expected to be dominant. This suggests that these results obtained for strongly nonlinear fluid can be extrapolated to any nonlinear fluid. We deduce a generalized form of Darcy's law for such materials and provide insight into the physical origin of the coefficients involved in this expression, which are shown to be moments of the second invariant of the strain rate tensor

Étude RMN de la répartition de nanoparticules lors du séchage d'un milieu poreux

Le séchage d’un milieu poreux initialement saturé par une suspension colloïdale joue un rôle important dans de nombreux processus industriels ou naturels ; par exemple lors du transport de polluants dans les sols ou du colmatage des pores des matériaux de construction. L’expérience sur un cylindre de billes compactées rempli de café permet de mettre en évidence le phénomène. A la fin du séchage, on observe un gradient de couleur en direction de la surface ainsi qu’une région blanche sans aucune particule au fond de l’échantillon. Ceci suggère que les particules ont été transportées vers la surface. Pour mieux comprendre, nous effectuons la même expérience sur un système modèle (séparation d’échelle : billes de verre + nanoparticules monodisperses) avec une technique IRM nouvelle permettant de mesurer à la fois les distributions de liquide et de nanoparticules dans le milieu poreux non saturé. Nous observons la remontée des particules vers la surface libre (phénomène identique au café), alors que l’eau semble distribuée de façon homogène quand la saturation décroît. La vitesse de séchage diminue lorsque la zone de compaction des nanoparticules augmente. Nous proposons un modèle simple prédisant la vitesse de séchage ainsi que la répartition finale des nanoparticules, en bonne accord avec les mesures ; ce qui valide notre compréhension des mécanismes physiques

Écoulement lent d'un fluide à seuil dans une expansion-contraction : étude par IRM

Les écoulements de fluides non-newtoniens, et en particulier des fluides à seuil, dans des géométries confinées sont rencontrés dans de nombreux processus industriels: l'extrusion, l'injection de coulis de ciment pour renforcer les sols ou l'injection de boues de forages dans les roches. Une approche locale, à l'échelle du pore, peut donner une information cruciale sur les caractéristiques de l'écoulement, en particulier sur l’interaction entre les régions immobiles et celles en écoulement. La majorité des études numériques et expérimentales existantes sur les écoulements de fluides à seuil dans des pores modèles (de Souza Mendes (2007)) portent sur des écoulements à petits nombres de Bingham où les effets du seuil d'écoulement ne sont pas dominants. Ici, nous présentons une étude expérimentale par IRM de l'écoulement de fluides à seuil (émulsion concentrée) dans un pore modèle pour des nombres de Bingham élevés. A partir des mesures de champs de vitesses dans le pore modèle effectuées à différents débit, nous montrons que, dans la gamme de nombres de Bingham étudiée, le profil de vitesse adimensionnel dans le pore est indépendant du débit tout comme la position de l'interface solide-liquide. Dans cette gamme de nombres de Bingham, il existe une zone d'épaisseur significative dans laquelle le taux de cisaillement est presque uniforme. Par ailleurs, nous mesurons directement la distribution statistique moyenne des vitesses sur la géométrie. Cette technique est exempte de problèmes de résolution spatiale et peut donc être utilisée quelle que soit la taille des pores. Il y a un bon accord entre les distributions mesurées et celles déduites des cartes de vitesses dans le cas de pore large. L'interprétation de ces données fournit des informations additionnelles sur les processus d'écoulement dans les petits pores

L'IRM s'aventure hors des sentiers du monde médical

National audienceL'agroalimentaire et le génie civil constituent deux domaines d'applications très particuliers pour l'imagerie par résonance magnétique (IRM). Essentiellement axées sur les problèmes d'élaboration, de conditionnement et d'évolution de produits et de matériaux en contexte industriel, les études doivent souvent être menées sur des échantillons massifs. Elles mettent en oeuvre des imageurs de grande taille et réclament le développement de méthodologies spécifiques par rapport aux applications médicales. Des systèmes originaux d'instrumentation et de sollicitation in situ des matériaux ont pu être conçus dans ce cadre, nourris par des collaborations étroites entre différents corps de métiers. Deux laboratoires, l'Unité Technologie des équipements agroalimentaires de l'Irstea et le Laboratoire Navier de l'Université Paris-Est, livrent leur témoignage, fruit de plusieurs années d'expertise. Food-processing and civil engineering are very particular application fields for magnetic resonance imaging (MRI). Studies mainly focus on preparation, packaging, and further evolution of products and materials in industry. They are often carried out on massive samples. They involve the use of large MRI facilities, and require the development of specific methodology as compared with routine medical studies. Stimulating close collaborations between various technical specialties, they saw the raise of original experimental setups for in situ measurements and sample solicitations. Two French laboratories, the " Technologie des équipements agroalimentaires " Unity at Irstea and " Laboratoire Navier " at Paris-Est University, report on their long standing expertise

Water transfer and crack regimes in nano-colloidal gels

International audienceDirect observations of the surface and shape of model nano-colloidal gels associated with measurements of the spatial distribution of water content during drying show that air starts to significantly penetrate the sample when the material stops shrinking. We show that whether the material fractures or not during desiccation, as air penetrates the porous body, the water saturation decreases but remains almost homogeneous throughout the sample. This air-invasion is at the origin of another type of fracture due to capillary effects; these results provide a new insight in the liquid dynamics at the nano-scale. PACS number(s): 47.56.+r, 68.03.Fg, 81.40.N

The mechanisms of plaster drying

International audienceWe show that the drying rate of plaster pastes is significantly lower than that expected for a pure liquid evaporating from a simple homogeneous porous medium. This effect is enhanced by the air flow velocity and the initial solid/water ratio. Further tests under various conditions and with the help of additional techniques (MRI, ESEM, Microtomography) for measuring the drying rate and local characteristics (water content, porosity) prove that this effect is due to the crystallization of gypsum ions below the sample free surface, which creates a dry region and decreases the drying rate by increasing the length of the path the vapor has to follow before reaching the free surface

MRI investigation of granular interface rheology using a new cylinder shear apparatus

The rheology of granular materials near an interface is investigated through proton magnetic resonance imaging. A new cylinder shear apparatus has been inserted in the MRI device, which allows the control of the radial confining pressure exerted by the outer wall on the grains and the measurement of the torque on the inner shearing cylinder. A multi-layer velocimetry sequence has been developed for the simultaneous measurement of velocity profiles in different sample zones, while the measurement of the solid fraction profile is based on static imaging of the sample. This study describes the influence of the roughness of the shearing interface and of the transverse confining walls on the granular interface rheology

Mesure RMN de diffusion restreinte en milieux poreux : pratique et interprétations

National audienc