Ecoulement et mise en structure de suspensions macroscopiques

Laboratoire de Physique, Ecole Normale Supérieure de Lyon, 46 Allée d'Italie,69364 Lyon Cedex 07, France

Résumé

Nous reportons dans cette revue les différentes études expérimentales réalisées sur les suspensions de particules solides dans un liquide et qui concernent le comportement rhéologique de ces systèmes ainsi que les mouvements des particules sous l'effet des champs de vitesse imposés. Ces mouvements peuvent conduire soit à des mises en structure, ou encore à des migrations des particules. L'importance du nombre de matériaux qui se présentent sous forme de suspension et qui sont mis en écoulement (réactif en génie chimique, peintures lors de leur mise en place, écoulement sanguin, boues dans les forages pétroliers,...) a motivé un grand nombre de travaux expérimentaux plus fondamentaux sur le sujet, particulièrement dans les vingt dernières années. Les résultats correspondants montrent une très grande diversité des comportements même pour les systèmes moyennement concentrés. Bien plus, pour des systèmes identiques, les résultats dépendent du type d'écoulement imposé. Ceci montre clairement, qu'à côté des facteurs standards qui sont à prendre en compte pour caractériser le comportement de tels systèmes (concentration de la phase solide, taille des particules, interactions entre particules, effets de diffusion,...), il est nécessaire de tenir compte de la nature de l'écoulement auquel est soumise la suspension. Cet écoulement modifie la distribution spatiale des particules, soit directement, soit par l'intermédiaire de différents mécanismes tels que écoulements secondaires, diffusion. Ces effets se traduisent par une mise en ordre des particules, ou bien à des mouvements de migration. Les structures ou les mouvements ainsi créés agissent à leur tour sur les propriétés de l'écoulement, et de là, sur le comportement rhéologique de l'ensemble du système. Il existe ainsi un mécanisme de rétroaction de la structure sur l'écoulement qui permet d'expliquer les comportements observés expérimentalement.

Abstract

In this review, we report the various experimental studies performed on suspensions of solid particules in liquids, and concerning the rheological behaviour of such systems and the ordering of particules under the applied velocity fields. The number of materials which are flowing suspensions (reagents in chemical engineering, paints while spreading, blood flow, muds in oil reservoir) gave rise to a number of experimental studies, especially in the last twenty years. The results show a wide variety of behaviour, even for systems of intermediate concentration. In addition, even for identical systems, the results depend of the type of flow. Then, it is clear that, in addition of the standard parameters which are to be taken into account, it is necessary to consider the type of flow the suspension is submitted to. The flow influences the spatial distribution of the particules, leading to their ordering or migration. These ordering or motions influence the flow, and then, the rheological behaviour of the whole system. So, there is a feedback mechanism from the ordering to the flow, which explains the experimental observations.