Flow of model dense granular suspensions
Écoulement de suspensions granulaires modèles
Résumé
We experimentally study the flow of dense granular suspensions. The suspensions are made of mono-disperse, spherical, non-Brownian polystyrene beads immersed in a density matched silicon oil. The volume fraction $\phi$ varies from 30 to 61%. We investigate the flow behaviour of these dense granular suspensions by the use of two complementary model experiments: shear flow on an inclined plane and elongational flow during the detachment of a droplet. We prove that the inclined plane is a useful apparatus to explore the continuous transition from an effective viscous flow (high thickness) to dense "pseudo-granular" flow (low thickness). A mesoscopic length scale is evidenced that separates the two flowing regimes and diverges when $\phi$ approaches the jamming limit. We show that our experimental results are consistent with a fully Newtonian rheology -i.e. without stress threshold- but with an effective viscosity depending on the thickness of the layer. Moreover, we show that particle migration can be neglected. This set-up allows for directly measuring the viscosity up to volume fractions of 61%, which is impossible in a classical rheometer. During "pinch-off" experiments, we prove that the elongational viscosity is identical to the one we measure on a pure viscous fluid. Nevertheless, the final detachment is accelerated by the presence of grains and is independent of the grain concentration, but highly dependent on the grain size.
Nous étudions dans ce travail expérimental les lois d'écoulement de suspensions granulaires. Pour cela, nous utilisons une suspension modèle isodense, non-Brownienne et monodisperse, constituée de sphères dans une huile de silicone et dont la fraction de grains $\phi$ est variée entre 30 et 61%. Le comportement de cette suspension est caractérisé via deux expériences originales : l'écoulement sous cisaillement sur plan incliné et l'écoulement en élongation lors du détachement de gouttes. Nous montrons que le plan incliné permet d'explorer le passage continu des lois d'écoulement d'un régime de type fluide visqueux (couches épaisses) à un régime "pseudo-granulaire" (couche fine). Nous mettons en évidence une longueur mésoscopique qui sépare les deux régimes et diverge quand la fraction s'approche de la transition de blocage. De plus, nous montrons que la rhéologie des suspensions isodenses est quasi-newtonienne, c'est-à-dire sans seuil, mais que la viscosité peut dépendre de la hauteur de la couche. La migration de particules pouvant être négligée, ce dispositif permet, contrairement à un rhéomètre "classique", de mesurer directement la viscosité de la suspension jusqu'à des fractions de 61%. Dans le cas du détachement de gouttes, nous ne mesurons pas de viscosité élongationnelle plus importante que dans le cas d'un fluide newtonien. En revanche, le détachement final est accéléré par la présence des grains et est indépendant de la concentration de la suspension, mais dépendant de la taille des grains.
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