Écoulement et resuspension visqueuse d'une pâte granulaire modèle en cellule de Couette à large entrefer

Abstract

Le sable mouillé, certaines boues ou le béton frais sont constitués de grains dans un fluide visqueux. Les grains sont assez gros pour ne pas être browniens, et en grande concentration, ce qui procure au matériau les propriétés mécaniques d’une pâte (on parle de « pâte granulaire »). Décrire les façons dont ce genre de matériau peut couler est un enjeu important, du point de vue académique et pour de nombreuses applications. L’écoulement implique un cisaillement, dont l’effet est de disperser les grains, concurremment à la gravité qui a tendance à les entasser, et par là bloquer l’écoulement. On appelle « resuspension visqueuse » la compétition entre les deux effets. Les nombreux travaux déjà consacrés à ces questions, concernent en général des suspensions adaptées en densité, c'est à dire dans la limite où l’effet de la gravité est négligeable (geff ≈ 0). Nous présentons une étude comparative des cas sans et avec gravité, sur la base d’expériences réalisées avec une pâte granulaire modèle dans un écoulement de Couette à large entrefer. Les données sont ensuite analysées dans le cadre du modèle d’équilibre de contraintes normales de Morris et Boulay. Les expériences sont réalisées avec une pâte modèle transparente et mettent en œuvre des méthodes optiques et d’analyse d’images innovantes, qui nous permettent de mesurer les vitesses azimuthales des particules et les fluctuations de position angulaire, ainsi que le champ de concentration des particules dans l’entrefer. Pour le système isodense, l’accord théorie-expérience est excellent, pour un choix convenable des formes des fonctions viscométriques. En revanche, la même théorie ne rend compte que qualitativement du cas général geff ≠ 0. Les figures calculées reproduisent qualitativement la localisation de l’écoulement observée dans les expériences, mais un désaccord subsiste dans la description des zones de très fortes concentrations