Mécanique des fluides à seuil

Lâcher de tourbillons derrière un cylindre dans un écoulement de fluide à seuil, en présence d'adhérence (haut : alternance type Von Karman) ou de glissement à la paroi (bas : allée symétrique).

Objectifs

Nous poursuivons des travaux fondamentaux sur la mécanique des fluides en nous appuyant sur deux approches complémentaires : d'une part, des expériences réalisées sur des fluides à seuil modèles non thixotropes, en utilisant des dispositifs expérimentaux originaux, et d'autre part, le développement de modélisations numériques viscoplastiques et élasto-viscoplastiques. La modélisation élasto-viscoplastique, repose sur une méthode d'éléments finis avec des points d'intégration lagrangiens (MEFPIL), mise en œuvre en collaboration avec le laboratoire 3SR. L'objectif principal est de déterminer précisément le rôle de la transition solide-liquide, en prenant en compte à la fois les phénomènes se produisant en volume et ceux intervenant aux interfaces fluide/solide. Deux aspects ont été approfondis, mettant en évidence des résultats originaux sur ces configurations de base apportant ainsi une meilleure compréhension des interactions fluide-structure dans des contextes variés, avec des implications pour l'ingénierie et la modélisation des écoulements non newtoniens. Enfin, sur un plan plus applicatif, des fluides à seuil ont été formulés dans des milieux très fortement alcalins pour des batteries à flux redox. 

Travaux

Ecoulement autour obstacles : 

Dans le domaine des écoulements non inertiels, l'effort s'est concentré sur la détermination des forces hydrodynamiques de traînée et de portance s’exerçant sur un cylindre ou une plaque à inclinaison variable, en interaction ou non avec une surface solide. La simulation numérique utilisant un modèle viscoplastique régularisé a permis de reproduire les résultats expérimentaux. Expérimentalement et numériquement, on observe une influence significative de l'état initial des contraintes du matériau élasto-viscoplastique dans le domaine où les effets de seuil prédominent sur les effets visqueux. Les résultats obtenus avec la méthode MEFPIL sont du même ordre de grandeur que ceux issus des expériences. Dans le domaine des écoulements fortement inertiels, les influences expérimentales de la contrainte seuil et de la rhéofluidification sur les critères d’apparition du régime tourbillonnaire, les caractéristiques des sillages derrière un cylindre et la fréquence de lâcher des tourbillons en régime instationnaire ont été quantifiées. La présence ou l'absence de glissement aux parois du cylindre modifie significativement les écoulements. La modélisation purement viscoplastique permet de simuler correctement ces écoulements. 

Références :

Mossaz, S. et al., Two-dimensional unsteady inertial flows of a yield stress fluid around a cylinder, Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, 2021
Jossic, L., et al., Drag on a plate perpendicular to the flow of an elasto-viscoplastic fluid, Discov Mechanical Engineering, 2023
Ouattara, Z. et al., Influence of the inclination of a plate on forces generated in flows of Newtonian and yield stress fluids, Chem. Eng. Sci., 2019 
Ouattara, Z et al., Flow of a Newtonian fluid and a yield stress fluid around a plate inclined at 45° in interaction with a wall, AIChE, 2019
 

Convection de Rayleigh-Bénard dans les fluides à seuil : 

La convection thermique au sein d'un gel élasto-viscoplastique (gel de Carbopol) soumis à la convection de Rayleigh-Bénard a été étudiée expérimentalement. La transition du régime conductif au régime convectif a été déterminée selon le principe de Schmidt-Milverton. Les valeurs critiques des rapports (contrainte seuil sur effets de flottabilité) et (contrainte seuil sur module élastique), caractérisant l'apparition des instabilités convectives, ont été quantifiées. L'augmentation de la contrainte seuil retarde l'apparition de la convection, tandis que l'élasticité la favorise. Par ailleurs, la valeur critique pour l'apparition de l'instabilité convective est fortement influencée par l'existence ou non d'un glissement à la paroi du fluide à seuil, le glissement favorisant cette apparition. La modélisation numérique élasto-viscoplastique par la méthode MEFPIL des critères d'apparition de la convection fournis du même ordre de grandeur que les valeurs expérimentales, aussi bien en conditions de glissement qu'en conditions d'adhérence. Elle donne en outre l’accès aux champs cinématique et de contraintes. Enfin, l'étude expérimentale détaillée du mouvement du fluide en-dessous du seuil critique d'apparition de la convection, c'est-à-dire en régime conductif, a permis d'observer un mouvement oscillatoire original dans le gel. Les marqueurs décrivent des boucles oscillantes autour de leur position initiale. Lorsque l'on approche de la valeur critique d'apparition de la convection, les boucles persistent mais les particules se déplacent progressivement par rapport à leur position initiale. Ces oscillations prennent la forme d'ondes progressives périodiques, les effets élastiques jouant un rôle déterminant dans leur apparition. Cette étude à bénéficier de la collaboration avec C. Métivier du LEMTA à Nancy.

Référence : 

Metivier, C. et al., Oscillatory Rayleigh–Bénard Convection in elasto-viscoplastic gels, J. Non-Newtonian Fluid Mech., 2020
 

Formulation et rhéologie d’électrolytes pour des batteries à flux rédox Zn-air : 

Dans le but de développer des systèmes de stockage d'énergie stationnaires efficaces et flexibles, nous nous sommes intéressés au déploiement de batteries à flux redox de type zinc-air (Zn-air RFBs), en nous orientant vers la formulation d'un électrolyte liquide à l’anode, dans lequel des microparticules de zinc sont mises en suspension. 
Une première difficulté a été résolue par la formulation d'un électrolyte polymère gélifié (GPE) en milieu fortement alcalin (pH 14) à partir d'une solution d'hydroxyde de potassium et de la combinaison de deux agents gélifiants, l'acide polyacrylique (PAA, Carbopol®) et une argile. Le caractère élasto-visco-plastique, lié à la présence de PAA dans la formulation, ainsi que sa stabilité, ont été démontrés par des essais de rhéométrie systémique, au moyen d’une géométrie spécifique développée, calibrée et validée pour cette étude. 
Ces GPEs sont ensuite utilisés comme matrice pour suspendre les particules de zinc (densité 7) et empêcher leur sédimentation, un autre des défis de cette étude. Par des techniques de rhéométrie inverse et de spectroscopie UV-Vis, nous avons mis en évidence et analysé les interactions zinc-PAA. Nous avons montré que des paramètres tels que la force ionique, l’adsorption du microgel de PAA sur les surfaces de zinc et les mécanismes de complexation du zinc, pouvant se produire en milieu alcalin, impactent le comportement rhéologique de la matrice, permettant d’ajuster le seuil d’écoulement et de contrôler la stabilité de la suspension. 
Nous avons enfin montré que le réseau gélifié ainsi constitué, permet la mobilité ionique indispensable à l’activité électrochimique. Les effets combinés du seuil et de la conductivité sur les performances de la batterie ont pu être quantifiés.

Références : 

Choi et al, Use of Carbon Additives towards Rechargeable Zinc Slurry Air Flow Batteries, Energies, 2020
Milian et al, Rheological behavior of gel polymer electrolytes: yield stress and viscoelasticity, Rheol. Acta, 2022 ; Tsehaye et al, Molecules 2021 
Milian et al, Formulation and characterization of zinc slurries for zinc slurry – Air redox flow battery: A rheological approach,  J. Power Sources 2023 ; Milian et al, Rheol. Acta, 2024