ETUDE DYNAMIQUE DE L’ECOULEMENT D’UN FLUIDE A CONTRAINTE SEUIL DANS UNE CONTRACTION 4 :1

Résumé

L’écoulement de fluides viscoplastiques est souvent rencontré dans plusieurs secteurs industriels, tels que le pompage des aliments, les procédés de formatage des polymères et d’autres. La compréhension de leur comportement et de leurs écoulements dans différentes géométries est d’une importance majeure. La caractérisation rhéologique de ces fluides est complexe en raison de leurs caractéristiques intrinsèques, notamment l'effet de glissement, ainsi que des zones non déformées inertes qui se forment aux coins de la contraction lorsqu'ils s'écoulent à travers une conduite rectangulaire ayant une contraction brusque. L'objectif principal de cette étude est d'analyser, d’abord, le comportement rhéologique des solutions de Carbopol en utilisant la vélocimétrie laser à effet Doppler (LDV) comme méthode non intrusive et in-situ. En mesurant les profils de vitesse et les pertes de charge associées, l'analyse des courbes d'écoulement permettra de caractériser la rhéologie des fluides étudiés. Deux approches sont mises en œuvre. La première consiste à ajuster le profil analytique au profil expérimental obtenu par la vélocimétrie laser à effet Doppler (LDV), tandis que la deuxième implique la conversion des profils locaux de vitesse en profils locaux de taux de cisaillement, et des pertes de charge en profils locaux de contrainte de cisaillement. L'analyse de l'écoulement de ce fluide dans le canal rectangulaire a été menée à l'aide de la LDV, en tenant compte des pertes de charge associées. Les profils de vitesse ont révélé la présence d'une zone mobile à vitesse constante, appelée 'bouchon', au centre du canal, ainsi que la formation de zones mortes inertes aux coins de la contraction. L'impact de la contraction et de l'inertie sur la structure de l'écoulement a été examiné en premier lieu, mettant en lumière l'influence de ces deux facteurs. L'interface entre la zone morte statique et la zone fluide a été identifiée et caractérisée pour divers débits. Les profils de vitesse ont révélé l'existence d'une ligne connue sous le nom de 'ligne de glissement', où tous les profils se croisent en un seul point. La position de cette ligne est constatée comme étant indépendante du débit, tandis que sa vitesse varie en fonction du débit, pour lequel une corrélation a été proposée. Cette ligne de glissement coïncide avec la hauteur de la contraction. Les profils de taux de cisaillement locaux sont fournis pour chaque débit. Ces profils présentent une évolution non monotone : ils augmentent de zéro à l'interface solide-liquide pour atteindre un pic, puis diminuent à nouveau jusqu'à zéro dans la région du 'bouchon' au centre de la conduite. Cette variation suggère la présence de différentes couches entre l'interface solide-liquide et la ligne de glissement. La position de la ligne de taux de cisaillement maximal reste constante indépendamment du débit, laissant supposer que la largeur de la zone entre la ligne de glissement et cette ligne demeure constante pour tous les débits. En complément, l'étude comprend une analyse des pertes de charge en amont, en aval et au niveau de la contraction, pour lesquelles des corrélations ont été proposées concernant le facteur de frottement f et le nombre d'Euler Eu en fonction du nombre de Reynolds généralisé Regen.

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