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Theses Year : 2011

Hydrodynamic interactions and transportation of particles in Newtonian and non-Newtonian fluids

Interactions hydrodynamiques lors du transport de particules en fluide newtonien et non newtonien

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Abstract

This work deals with the study of the hydrodynamic interactions effects on the movement and the transport of spherical and cylindrical particles in non-Newtonian fluids. Some important results were obtained to explain the physics of suspensions in non-Newtonian fluid. We used the Ostwald model which describes well the effects of shear-thinning and shear-thickening which characterize most non-Newtonian fluids. The first result was to show how the fluidity index affects the behavior of suspensions by the means of the hydrodynamic screen length around each particle. This enabled us to give the accurate values of the drag undergone by each particle in infinite medium, and to show the appearance of the Whitehead paradox in the case of the sphere starting from n=2 and of the Stokes paradox in the case of the cylinder starting from n=1. When n is close to these critical values, the determination of the hydrodynamic forces becomes very sensitive to inertia. The second important result for the industry of the injection of composite materials, was to show, using an inverse method, that the hydrodynamic interactions could induce a more or less important delay compared to the Newtonian case in the transport velocity of particles. The third important result for the analysis of the processes of aggregation of spherical or cylindrical particles, was obtained in the case of a spherical or cylindrical particle in sedimentation towards a fixed plane. An asymptotic calculation in the non-Newtonian case in the lubrication limit, compared successfully with that obtained numerically by the dynamic mesh method, enabled us to obtain the laws of evolution of the force undergone by these particles making contact with a plane. These last results find an application in the use of the dynamic surface force apparatus within the framework of the nanorheology.
Ce mémoire est consacré à l'étude des effets des interactions hydrodynamiques sur le mouvement et le transport des particules sphériques et cylindriques dans les fluides non newtoniens. Des résultats importants ont été obtenus pour expliquer la physique des suspensions en fluide non newtonien. Le modèle non newtonien choisi est celui d'Ostwald car il décrit bien les effets de rhéofluidification et de rhéoépaississement qui caractérisent la plupart des fluides non newtoniens. Le premier résultat a été de montrer comment l'indice de fluidité affecte le comportement des suspensions par le biais de la longueur d'écran hydrodynamique autour de chaque particule. Ceci nous a permis de donner les bonnes valeurs de la traînée subie par chaque particule en milieu infini, et de montrer l'apparition du paradoxe de Whitehead dans le cas de la sphère à partir de n=2 et de Stokes dans le cas du cylindre à partir de n=1. Lorsque n est voisin de ces valeurs critiques, la détermination des forces hydrodynamiques devient très sensible à l'inertie. Le deuxième résultat important pour l'industrie de l'injection des matériaux composites, a été de montrer par une méthode inverse que les interactions hydrodynamiques pouvaient induire un retard plus ou moins important par rapport au cas newtonien dans le transport de particules. Le troisième résultat important pour l'analyse des processus d'agrégation de particules sphériques ou cylindriques a été obtenu dans le cas d'une particule sphérique ou cylindrique en sédimentation vers un plan fixe. Un calcul asymptotique dans le cas non newtonien en régime de lubrification, comparé avec succès à celui obtenu numériquement par la méthode de maillage dynamique, nous a permis d'obtenir les lois d'évolution de la force subie par ces particules entrant en contact avec un plan. Ces derniers résultats trouvent une application dans l'utilisation des machines dynamiques à force de surface dans le cadre de la nanorhéologie.
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Dates and versions

pastel-00658705 , version 1 (11-01-2012)

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  • HAL Id : pastel-00658705 , version 1

Cite

Antoine Despeyroux. Interactions hydrodynamiques lors du transport de particules en fluide newtonien et non newtonien. Mécanique des fluides [physics.class-ph]. Arts et Métiers ParisTech, 2011. Français. ⟨NNT : 2011ENAM0029⟩. ⟨pastel-00658705⟩
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