Mesh immersion technique for 3D moving domain calculation and applications to twin-screw extrusion and mixing

International audienceThis work is concerned with the development of numerical techniques devoted to the simulation of the flow of a polymer melt in mixing processes such as twin-screw extrusion. In mixing or twin extrusion process simulation, the absence of symmetry of the moving boundaries (the screws) implies that their rigid body motion has to be taken into account by using a special treatment. In this study, we introduce a new technique called Mesh Immersion Technique (MIT), which consists in : a) using a P1+/P1-based (MINI-element) mixed finite element method for solving the velocity-pressure problem, b) solving the problem in the whole barrel cavity and imposing a rigid motion (rotation) to nodes found located inside the so called immersed domains. Each sub-domain (screw) is represented by a surface mesh. The independent meshes are immersed into a unique background computational mesh by calculating the P1 approximation of the function giving the distance to their respective surfaces. A multiphase approach, combined with parallel computing, is used to compute the flow of generalized Newtonian fluids in a complex system such as a twin screw extruder or a batch mixer, including moving free surfaces

Multiscale simulation of mixing processes using 3D-parallel, fluid-structure interaction techniques

International audienceThis work focuses on the development of a general finite element code, called Ximex®, devoted to the three-dimensional direct simulation of mixing processes of complex fluids. The code is based on a simplified fictitious domain method coupled with a "level-set" approach to represent the rigid moving boundaries, such as screws and rotors, as well as free surfaces. These techniques, combined with the use of parallel computing, allow computing the time-dependent flow of generalized Newtonian fluids in large and complex processes, involving moving free surfaces which are treated by a level-set/Hamilton-Jacobi method. Two flow case studies will be presented in this paper: the flow within a twin-screw extruder and the flow in a batch mixer

Utilisation de méthodes de champ pour étudier les lois de comportement des polymères fondus

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.On utilise la vélocimétrie laser et la biréfringence d'écoulement pour mesurer les champs de vitesse et de contraintes dans des écoulements de polymères fondus dans des géométries convergentes. La démarche choisie pour valider des lois de comportement rhéologiques consiste à, (a) calculer les vitesses de déformations à partir des mesures de la vitesse, (b) déduire les contraintes en utilisant une loi de comportement basée sur des théories macromoléculaires (Marrucci et Ianniruberto [1]), (c) confronter les contraintes calculées à celles mesurées par biréfringence d'écoulement, (d) itérer sur les valeurs des paramètres non linéaires de la loi choisie jusqu'à réaliser un accord satisfaisant. Dans un premier temps nous nous sommes intéressés aux phénomènes sur l'axe de l'écoulement

Un modèle de cinétique d'évolution de populations de bulles dans un fluide à seuil

International audienceThe context of this study is to predict the swelling of bitumen drums in which radioactive salts are mixed (60 wt% of bitumen and 40 wt% of salts). Radioactivity generates uniform volume production of hydrogen by radiolysis of bitumen chains. The creation of gas occurs on very large time scales (more than a hundred years), hence the need to provide model in order to predict the swelling. It has been shown that bitumen is a yield stress fluid. Therefore this work proposes to study the influence of a continuous gas generation and a yield stress on the kinetic evolution of a bubble population. Usually, when a gas is dissolved beyond its solubility limit without yield stress or gas creation, one observes a nucleation-growth-ripening scenario (growth of large bubbles to the detriment of small ones). It selects a distribution of large bubbles over long times, independently of the initial distribution of nuclei. Our work shows that in some cases the gas creation competes with the ripening kinetics and the yield stress can make the bubble population bimodal during its evolution.Le contexte de cette étude est de décrire les processus physico-chimiques élémentaires de base conduisant au gonflement d’enrobés de bitume (suspensions de sels dans une matrice bitume) dans lequel sont conditionnés des sels de coprécipitation de radionucléides. La radioactivité génère une production volumique uniforme de dihydrogène par radiolyse des chaînes de bitume. Ce taux de création de gaz perdure sur des échelles de temps très grandes (plus de cent ans), bien que décroissant au cours du temps. L’étude scientifique vise à conforter les modèles actuels de prédiction du gonflement sous radiolyse des enrobés bitume. Il a été montré que les enrobés de bitume sont des fluides à seuil. Ces travaux proposent donc d'aborder l'influence d’une génération continue de gaz (appelée terme source dans la suite de cet article) et d’un seuil d’écoulement sur la cinétique d'évolution d'une population de bulles. Classiquement, pour un gaz dissous au delà de sa limite de solubilité et en l’absence de seuil et de terme source, on observe un scénario de germination-croissance-mûrissement (croissance des grosses bulles au détriment des petites) qui sélectionne aux temps longs une distribution de grosses bulles, indépendante de la distribution initiale de germes. Nos travaux montrent qu’il existe des régimes où le terme source entre en compétition avec la cinétique de mûrissement et où le seuil d’écoulement peut étaler ou rendre bidisperse la distribution de taille de bulles au cours de son évolution

A new three-dimensional mixed finite element for direct numerical simulation of compressible viscoelastic flows with moving free surfaces

The original publication is available at http://www.springer.comInternational audienceTA Mixed Finite Element (MFE) method for 3D non-steady flow of a viscoelastic compressible fluid is presented. It was used to compute polymer injection flows in a complex mold cavity, which involves moving free surfaces. The flow equations were derived from the Navier-Stokes incompressible equations, and we extended a mixed finite element method for incompressible viscous flow to account for compressibility (using the Tait model) and viscoelasticity (using a Pom-Pom like model). The flow solver uses tetrahedral elements and a mixed velocity/pressure/extra-stress/density formulation, where elastic terms are solved by decoupling our system and density variation is implicitly considered. A new DEVSS-like method is also introduced naturally from the MINI-element formulation. This method has the great advantage of a low memory requirement. At each time slab, once the velocity has been calculated, all evolution equations (free surface and material evolution) are solved by a space-time finite element method. This method is a generalization of the discontinuous Galerkin method, that shows a strong robustness with respect to both re-entrant corners and flow front singularities. Validation tests of the viscoelastic and free surface models implementation are shown, using literature benchmark examples. Results obtained in industrial 3D geometries underline the robustness and the efficiency of the proposed method

Evaluation of a tube-based constitutive equation using conventional and planar elongation flow optical rheometers

The original publication is available at http://www.springerlink.comInternational audienceThe predictions of the Marrucci and Ianniruberto model (2003) have been studied in various rheometric flows as well as a planar elongation flow using the 'optical elongational rheometer' technique proposed by Schuberth and Münstedt (Rheol Acta 47:111-119, 2008). This combination of techniques extended the range of pertinence of the model to high-extensional rates. Relevance of the identified parameters with respect to tube theory was then discussed

Comportement rhéologique de SBR pur et chargé en noir de carbone

International audienceNous avons utilisé un rhéomètre capillaire pour étudier le comportement en écoulement d'un caoutchouc synthétique SBR (copolymère de styrène et de butadiène). Cette étude est réalisée dans une gamme de température allant de 90°C à 50°C, sur un SBR pur et un SBR chargé de noir de carbone (33% en masse). Différents diamètres de capillaires ont été utilisés (2, 3 et 4 mm) pour des rapports de L/D de 0, 4, 8 et 16. On remarque, pour les deux matériaux, l'existence d'une contrainte critique, au-delà de laquelle le comportement est différent. Cette contrainte ne dépend pas de la température et vaut entre 0,38 et 0,36 MPa pour le SBR pur et entre 0,53 et 0,56 MPa pour le SBR chargé. Au-delà de cette contrainte, il existe un glissement à la paroi que l'on a quantifié pour le SBR chargé

Mesures de champ dans des écoulements complexes pour l'identification du comportement d'un polyéthylène basse densité

http://hdl.handle.net/2042/16620International audienceIn this study, we present preliminary experimental results for the evaluation and identification of constitutive equations for viscoelastic polymer melts using flow field measurements such as Laser-Doppler velocimetry and flow-induced birefringence. We focus on the influence of temperature and flow rate on the vortex size of a secondary flow of a low density polyethylene which strongly depends on balance between shear and extensional rheological properties of the material. Further work will show that this method, coupled with numerical simulations, can be applied to identify non-linear parameters of a Pom-pom like constitutive equation by using an inverse analysis procedure = On présente les premiers résultats d'une étude dont le contexte est l'évaluation et l'identification de lois de comportement par l'utilisation de méthodes de mesures de champ telles que la vélocimétrie Laser-Doppler et la biréfringence d'écoulement. On s'intéresse à l'influence de la température et du débit sur la taille de recirculations dans l'écoulement d'un polyéthylène basse densité. La taille de ces recirculations est fortement dépendante des propriétés mécaniques relatives du matériau en cisaillement et élongation. Ces mesures seront utilisées pour l'identification d'un modèle de type pom-pom par une méthode d'identification inverse

Etude numérique de la coextrusion de polyester : Effet de la régulation thermique et de la géométrie de la filière sur la stabilisation des instabilités interfaciales

http://hdl.handle.net/2042/16637International audienceLa fabrication d'un film multicouche peut être réalisée de manière économique par l'utilisation de la technique de coextrusion. Des instabilités peuvent apparaître à l'interface entre les deux polymères ce qui rend le produit inexploitable. L'objectif de cette étude est d'étudier numériquement l'influence du procédé et des paramètres rhéologiques sur les instabilités = The polymer coextrusion process is a method of multilayer film production. It may exhibit flow instabilities at the interface between the two polymer layers. The objective of this study is to check the influence of processing and rheology parameters on the instabilities. Finite elements numerical simulations of the coextrusion allow investigating various stable and instable flow configurations

Comportement rhéologique de SBR pur et chargé en noir de carbone : effets de la température et du taux de charge

National audienceNous avons étudié le comportement rhéologique d’un SBR en rhéométrie capillaire dans une gamme de température entre 90°C et 40°C, pur et chargé de 16 à 33 % en masse en noir de carbone. Pour tous les matériaux testés, la courbe d’écoulement peut être divisée en plusieurs zones : à taux de cisaillement faible, nous observons un comportement classique, avec une augmentation régulière de la contrainte avec le taux de cisaillement. Au-dessus d’une certaine contrainte critique, les conditions d’écoulement changent avec l'apparition d'un plateau, lié à la présence de glissement et/ou d’instabilités amont. Cette contrainte critique est indépendante de la température mais augmente linéairement avec le taux de charge. Au-delà du plateau, la contrainte augmente à nouveau, mais avec une pente plus faible. Les courbes d’écoulement obtenues pour les différents mélanges peuvent être superposées à l’aide d’un facteur de glissement dépendant du taux de charges. Nous pouvons en déduire une loi de viscosité générale, basée sur le modèle de Carreau-Yasuda, dans laquelle la viscosité limite et le temps caractéristique dépendent à la fois du taux de charge par une expression de Krieger-Dougherty et de la température par une loi d’Arrhénius