Ancey, Ch.

Andreini, N.

Rentschler, M.

Wiederseiner, S.

Infoscience - École polytechnique fédérale de Lausanne

Rhe´ophysique des suspensionsgranulaires tre`s concentre´es parve´locime´trie par images de particulesfluorescentesS. Wiederseiner, N. Andreini, M. Rentschler & C. AnceyLaboratoire d’Hydraulique EnvironnementaleEcole polytechnique fe´de´rale de Lausanne11e`me Congre`s francophone de techniques LaserENSMA-Futuroscope, le 16 septembre 2008´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats Conclusion´Ecoulements ge´ophysiquesAvalanches de neigeLaves torrentiellesCoule´es pyroclastiquesPhoto SLF´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats Conclusion´Ecoulements ge´ophysiquesAvalanches de neigeLaves torrentiellesCoule´es pyroclastiques´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats Conclusion´Ecoulements ge´ophysiquesAvalanches de neigeLaves torrentiellesCoule´es pyroclastiques´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats Conclusion´Ecoulements ge´ophysiques´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats ConclusionComment e´tudier ces fluides complexes ?Fluides e´tudie´sMe´thodes optiques=⇒Suspension concentre´ede particules(25mm d’e´paisseur)⇓FPIV / FPTV´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats ConclusionSuspensions concentre´es et transparentes departicules non colloı¨dalesParticules sphe´riques de PMMAde 50 a` 350 µmMe´lange de 3 fluides newtoniens(Lyon & Leal 1997)´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats ConclusionTamisage humide0 50 100 150 200 250 300 350 40000.10.20.30.40.50.60.70.80.91µ = 198µm, σ = 4.8µmPMMA tamise´Diame`tre des particules [µm]PMMA brutµ = 168µm, σ = 54µm´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats ConclusionMe´lange de 3 fluidesTrois Fluides →{Iso-indiceDensite´ controˆlable´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats ConclusionIso-indiceTrois Fluides →{Iso-indice ⇒ TransparenceDensite´ controˆlable ⇒ Effet de la gravite´´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats ConclusionIso-indice : effets de la tempe´rature16 17 18 19 20 21 22 23 240.9980.99850.9990.999511.0005  Dibromohexane	 −3.6667e−04  1/°CUCON oil	          −3.4250e−04  1/°CTriton X100        −3.2083e−04  1/°CFit lineaireIndicedere´fractionadimensionalise´[-]Tempe´rature [ ˚ C]´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats ConclusionIso-indice : effets de la tempe´rature                    PhotodetecteurSuspensionde particulesplus de 500 interfacesSte´nope´MesureLASER 532nm´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats ConclusionIso-indice : effets de la tempe´rature18.5 19 19.5 20 20.5 21 21.5 22 22.50.50.550.60.650.70.75I Suspension/I fluide[−]Tempe´rature [ ˚ C]´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats ConclusionIso-indice : effets de la longueur d’onde1.483 1.484 1.485 1.486 1.487 1.488 1.489 1.49 1.491 1.49200.10.20.30.40.50.60.7I suspension/I fluid[−]Indice de re´fraction n [-]´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats ConclusionIso-indice : effets de la longueur d’onde´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats ConclusionIso-indice : effets de la longueur d’ondeImages couleurs (RGB) d’une suspension de particules :Composante bleue Composante rouge´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats ConclusionDensite´Trois Fluides →{Iso-indice ⇒ TransparenceDensite´ controˆlable ⇒ Effet de la gravite´´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats ConclusionDensite´Densite´duTritonX100[g/cc]Densite´dudibromohexane[g/cc]Tempe´rature [ ˚ C]∆ρ∆T = 10−3 [kg/m3 ˚ C]´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats ConclusionMarqueur fluorescent : la rhodamine 6GTrois Fluides →{Iso-indice ⇒ TransparenceDensite´ controˆlable ⇒ Effet de la gravite´Marqueur fluorescent ⇒ Visualisation´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats ConclusionChoix de la Rhodamine 6GTrois Fluides →{Iso-indice ⇒ TransparenceDensite´ controˆlable ⇒ Effet de la gravite´Marqueur fluorescent ⇒ VisualisationExcellent efficacite´suffisamment faible ”Stokesshift”´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats ConclusionCombien de rhodamine 6G ?Trois Fluides →{Iso-indice ⇒ TransparenceDensite´ controˆlable ⇒ Effet de la gravite´Marqueur fluorescent ⇒ VisualisationConcentration e´leve´e⇓Plus de fluorescence⇓COMPROMIS⇑Effet re´duit sur l’indice de re´fraction⇑Basse concentration´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats ConclusionTrois Fluides →{Iso-indice ⇒ TransparenceDensite´ controˆlable ⇒ Effet de la gravite´Marqueur fluorescent ⇒ VisualisationParticulesSphe´ricite´Qualite´ optique´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats ConclusionTrois Fluides →{Iso-indice ⇒ TransparenceDensite´ controˆlable ⇒ Effet de la gravite´Marqueur fluorescent ⇒ VisualisationParticulesSphe´ricite´Qualite´ optique´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats ConclusionTrois Fluides →{Iso-indice ⇒ TransparenceDensite´ controˆlable ⇒ Effet de la gravite´Marqueur fluorescent ⇒ VisualisationParticulesSphe´ricite´Qualite´ optique´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats ConclusionTrois Fluides →{Iso-indice ⇒ TransparenceDensite´ controˆlable ⇒ Effet de la gravite´Marqueur fluorescent ⇒ VisualisationParticulesSphe´ricite´Qualite´ optique´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats ConclusionTrois Fluides →{Iso-indice ⇒ TransparenceDensite´ controˆlable ⇒ Effet de la gravite´Marqueur fluorescent ⇒ VisualisationParticules FluideSphe´ricite´Qualite´ optiqueGranulome´trieFaible e´vaporationBon ”mouillant du PMMA”Pas solvant du PMMAFaible absorptionPas excitableViscosite´ variable (4e`me fluide)´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats ConclusionLa ge´ome´trie´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats ConclusionConse´quence pour les mesures rhe´ologiques1(TΩ)99K(τγ˙)2 LARGEENTREFER(granulome´trie)T : Couple totalΩ : Vitesse angulaireτ : contrainte de cisaillementγ˙ : taux de cisaillement⇒Re´soudre le proble`meinverse de Couetteτ(r) =T2pir2hΩ =∫ RoutRinγ˙(r)rdrr : Rayonh : Hauteur de fluideRin/out : Rayon du cylindre inte´rieur/exte´rieur´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats ConclusionConse´quence pour les mesures rhe´ologiquesMe´thodes de re´solution du proble`me inverse de Couette :Mooney (1931)Krieger & Maron (1952)Krieger & Elrod (1953)Krieger (1968)Yang & Krieger (1978)Mac Sporran (1986)(1989)Nguyen (1992)Yeow (2000)Ancey (2005)De Hoog & Anderssen (2005)(2006)´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats ConclusionRhe´ome´trie classique et optiqueApproche par lame´canique desmilieux continus⇓Rhe´ome´trieclassique⇓T and Ω⇓Re´soudre leproble`me inverse deCouette⇓τ and γ˙Approcherhe´ophysique⇓Suspensionstransparentes⇓De´placement desparticules(FPIV / FPTV)⇓Diffe´rentiation duprofile de vitesse⇓τ and γ˙´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats ConclusionTechnique de mesure´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats ConclusionTechnique de mesureTrancheLASER´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats ConclusionTechnique de mesureTrancheLASERCAMERAFILTRE´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats ConclusionTechnique de mesure´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats ConclusionInstallationL’installation´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats ConclusionImages FPIV´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats ConclusionValidationMesure de validationVθ(r) =Ar+ Br with A = R2inR2outΩR2out − R2in, B = R2inΩR2in − R2out0.012 0.014 0.016 0.018 0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.0300.10.20.30.40.50.60.70.80.91             vθ theoreticalvr theoreticalvθ experimentalvr experimentalRinVθ,rVθ,in[−]Position radiale [m]Rout´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats ConclusionProfiles de vitesse de suspensions concentre´es de particules (fraction solide de 50%)Evolution temporelle de la suspension12 14 16 18 20 22 24 26 28 3000.20.40.60.81  after 1 hourafter 2 hoursafter 3 hoursafter 5 hoursRinVθ,rVθ,in[−]RoutPosition radiale [mm]´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats ConclusionProfiles de vitesse de suspensions concentre´es de particules (fraction solide de 50%)Effet du fond10 15 20 25 3000.20.40.60.81  35mm from the bottom25mm from the bottom10mm from the bottomVθ,rVθ,in[−]Position radiale [mm]Rin Rout´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats ConclusionDe´rivation de la loi d’e´coulementComparaison10−2 10−1 1000246810  velocity profilemacsporran86yeow00ancey05dehoog06other methodsγ˙[s−1 ]τ[Pa]´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats ConclusionConclusionNouvelle technique de mesure du champs de vitesse dansdes suspensions tre`s concentre´esApplicable a` un grand nombre de ge´ome´trie´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats ConclusionTravaux futursMesurer le profil de concentrationNous souhaitons maintenant utiliser la meˆme techniquepour e´tudier le proble`me dit de rupture de barrage (laˆcherd’un volume fini de fluide, puis de son e´coulement le longd’une surface) et mesurer le profile de vitesse au coeur dela suspension dans le front de l’e´coulement.´Ecoulements suspensions Rhe´ologie technique de mesure Resultats ConclusionRemerciementsChristophe AnceyNicolas Andreini, Martin RentschlerLe Fond National Suisse de la recherche scientifiqueRhe´ologie et rhe´ophysiqueRhe´ologie et rhe´ophysique´Ecoulements ge´ophysiquesFluides complexesParticulesMate´riauxFormeGranulome´trieRugosite´Fluide interstitielViscosite´⇒Comment mesurer les pro-prie´te´s rhe´ologiques de cesfluides ?Seuil de contrainteComportementrhe´oamincissantThixotropieDilatance...Rhe´ologie et rhe´ophysique´Ecoulements ge´ophysiquesFluides complexesParticulesMate´riauxFormeGranulome´trieRugosite´Fluide interstitielViscosite´⇒Comment mesurer les pro-prie´te´s rhe´ologiques de cesfluides ?Seuil de contrainteComportementrhe´oamincissantThixotropieDilatance...Rhe´ologie et rhe´ophysiqueConsequences for the rheologistSolving methods :Infinite series approachLeast square approachProjection approachAdjoint operator approachRhe´ologie et rhe´ophysiqueConsequences for the rheologistExample : an artificial Herschel-Bulkley fluid τ = τy + K γ˙ns = RinRout = 0.910−3 10−2 10−1 100 101050100150200250300350  krieger52krieger53dehoog05−mpdehoog05−mmpdehoog05−ttfddehoog05−mttfddehoog05−ftfddehoog05−mftfdkrieger52krieger68macsporran86s0tikhonovτ [Pa]γ˙[s−1 ]Rhe´ologie et rhe´ophysiqueConsequences for the rheologistThe same fluid with a wide-gap geometrys = RinRout = 0.210−4 10−3 10−2 10−1 100 101 102050100150200250300350  krieger52krieger53dehoog05−mpdehoog05−mmpdehoog05−ttfddehoog05−mttfddehoog05−ftfddehoog05−mftfdkrieger52krieger68macsporran86s0tikhonovτ [Pa]γ˙[s−1 ]Rhe´ologie et rhe´ophysiqueExample : a polymeric gelAncey, J.Rheology 49 (2005) 441-460Rhe´ologie et rhe´ophysiqueExample : a particle suspensionsAncey, J. Rheol. 45 (2001)1421-1439S : adimensionalized shear stressΓ : adimensionalized angular velocityRhe´ologie et rhe´ophysiqueExample : a particle suspensionsAncey, J. Rheol. 45 (2001)1421-1439S : adimensionalized shear stressΓ : adimensionalized angular velocityAncey, J.Rheology 49 (2005) 441-460Rhe´ologie et rhe´ophysiqueShear localization ?Particle segregation ?Particle migration ?Ordering ?Particle roughness ?Particle Shape ?Slipping ?Do we measure material’s physical properties...... or disturbing effects ?

Rhéophysique des suspensions granulaires très concentrées par vélocimétrie par images de particules fluorescentes

http://infoscience.epfl.ch/record/134667/files/Rh%C3%A9ophysique%20des%20suspensions%20.....%20wiederseiner%2C%202008.pdf

Rhéophysique des suspensions granulaires très concentrées par vélocimétrie par images de particules fluorescentes

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Infoscience - École polytechnique fédérale de Lausanne