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Procédés et écoulement aux échelles pertinentes

Problématique scientifique et stratégie

La plupart des procédés industriels actuels mettent en jeu des fluides au comportement rhéologique complexe : rhéofluidifiant, à seuil de contrainte, viscoélastique, viscoplastique ou thixotropes. Les domaines d’application sont vastes, en particulier les domaines de l’environnement et de la santé sont largement représentés à travers les secteurs agroalimentaire, pharmaceutique, cosmétique, ou encore le traitement des eaux et des effluents. Les axes de recherche abordés dans cette thématique se placent au cœur d’enjeux socio-économiques et technologiques à fort impact. L’optimisation de ces procédés n’est possible qu’à travers la maîtrise et la compréhension de l’influence des propriétés mécaniques, physiques et physico-chimiques des matériaux sur les écoulements. Pour y parvenir, une des clés de la réussite est l’identification des mécanismes mis en jeux aux échelles de longueurs pertinentes vis à vis de la structure des matériaux, de leurs écoulements et des caractéristiques des procédés.

Les milieux les plus fréquemment rencontrés sont des fluides à structure tels que polymères, émulsions, systèmes dispersés ou encore matériaux hétérogènes. Les objets traités ou mis en œuvre sont de dimensions variées depuis la taille nanomètrique de particules colloïdales ou de macromolécules en passant par des dimensions microscopiques de bactéries jusqu’à des objets centimétriques comme des bulles d’air ou des charges de transport. De plus ces milieux sont le siège d’interactions de différentes intensités, reliées à des échelles de longueurs caractéristiques : interactions intra-particules, inter-particules, fluide-particule, fluide paroi. Ces interactions et les structures qu’elles engendrent, confèrent à ces matériaux des comportements fortement non-newtoniens et influencent fortement les propriétés des écoulements, leur stabilité ainsi que les phénomènes de localisation ou de ségrégation, dont les origines et conséquences sont encore insuffisamment identifiées.

Cette thématique de recherche a pour but de comprendre et maîtriser les procédés et les écoulements mettant en œuvre des fluides industriels ou modèles au comportement rhéologique complexe. Notre démarche est de faire le lien entre la maîtrise des procédés et la compréhension des phénomènes fondamentaux sous jacents liés aux écoulements et à leur stabilité.

Deux fils conducteurs seront explorés. D’une part, on adoptera une approche globale en partant de la problématique du procédé et en examinant les comportements rhéologiques des fluides traités depuis leur mise en œuvre jusqu’au produit final. D’autre part, on adoptera une approche plus fondamentale à travers l’étude de systèmes modèles et en élargissant vers la compréhension des mécanismes gouvernant les procédés.

Production prévue

  • Maîtriser les performances en procédé de séparation membranaire et en procédés biologiques de dépollution par une approche locale aux interfaces membranes-colloïdes/bactéries aux échelles pertinentes nanométriques/micrométriques des objets traités.
  • Etablir l’origine microscopique des comportements plastiques et super plastiques, ductiles et fragile dans des systèmes polycristallins par des approches originales multi-spéculaires et de diffusion multiple couplées aux sollicitations mécaniques.
  • Concevoir des procédés de traitements des matériaux fluides optimisés ou leur formulation en établissant la mécanique des fluides des suspensions d’objets ou de bulles dans les fluides à seuil et établir leurs critères de stabilités en accédant aux champs de contraintes locales et aux modes d’écoulement locaux.
  • Comprendre et modéliser les écoulements de fluides hétérogènes à seuil d’écoulement dans le tube digestif pour appréhender leurs influences sur la perception sensorielle ou la santé par des approches complémentaires physiologique, biomécanique et rhéologique.
  • Prédire les instabilités inertielles ou thermoconvectives dans des fluides à structure, en déterminant aux échelles micro-macroscopiques, l’influence des propriétés physiques de ces fluides sur leurs propriétés d’écoulement et les efforts extérieurs appliqués.

Procédés de traitements aux interfaces pour l’environnement et la santé
Frédéric Pignon, Albert Magnin, Yahya Rharbi, Nicolas Hengl

  • Procédés de séparation membranaire, approche locale aux échelles nanométriques
    Il s’agit d’étudier les mécanismes qui gouvernent la stabilité des procédés de séparation membranaires utilisés à grande échelle dans les secteurs de l’agro-alimentaire de l’environnement ou de la chimie. Le but à atteindre est de résoudre les difficultés de colmatage rencontrées en purification des eaux et des effluents ou dans l’élaboration de nouvelles suspensions de nano-particules. L’identification des phénomènes de concentration de polarisation liés au colmatage seront étudiés par une approche locale à l’interface membrane/colloïdes, par des techniques in-situ de diffusion de rayons x aux petits angles lors de l’opération de filtration. Les évolutions des profils de concentrations de structure et de comportement rhéologiques des colloïdes aux interfaces permettrons de développer la modélisation des phénomènes de colmatage.

  • Micro-rhéologie, procédés de dépollution et sécurité alimentaire
    Qu’il s’agisse d’optimiser les procédés biologiques de dépollution ou d’améliorer la nettoyabilité de surfaces pour garantir une sécurité en industries agro-alimentaires, un verrou scientifique à lever et celui de la compréhension des interactions surfaces-bactéries-écoulements. L’objectif de cette recherche est d’apporter une compréhension à l’échelle du micromètre des mécanismes physiques, physico-chimiques et biologiques impliqués dans les propriétés d’adhésion/détachement des bactéries ou de biofilms sur supports solides ou membranaires soumis à des écoulements de cisaillement contrôlés. Dans ce but des micro-cellules d’écoulement autorisant la caractérisation des structures et des forces d’interaction par microscopie optique et pince optique, seront mises en œuvre. L’évolution de la structuration de biofilms sous écoulement au cours du temps et les couplages hydrodynamiques et rhéologiques qui en résultent seront recherchés. Ces informations sont primordiales dans la modélisation et l’optimisation (dimensionnement ou contrôle) des procédés de filtrations et de traitements biologiques ou dans l’étude de la contamination des surfaces.

Ecoulements des fluides à structure et Instabilités
Albert Magnin, Laurent Jossic, François Caton, Frédéric Bossard, Pascal Jay, Nadia El Kissi, Yahya Rharbi

  • Modes de déformation de fluides viscoplastiques : plasticité, ductilité et fragilité.
    Une des thématiques majeures du laboratoire de rhéologie depuis plusieurs décennies concerne la rhéologie et l’écoulement des fluides à seuil de contrainte. Récemment, plusieurs publications du laboratoire ainsi que d’autres équipes françaises et internationales ont mis en évidence des analogies fortes dans le régime solide entre le comportement de ces matériaux et celui des solides polycristallins ductiles tels que les métaux. A contrario, il est connu depuis longtemps que d’autres matériaux a priori similaires, comme les verres, cassent ou se fracturent plutôt que de couler. Si ce projet a un volet fondamental certain, sa gamme d’applications est vaste puisque son objectif est de comprendre l’origine microscopique des comportements plastiques et super-plastiques, ductiles et fragiles ainsi que de les modéliser. Une telle compréhension permettrait par exemple de rationaliser la fabrication de matériaux super-plastiques, matériaux permettant une mise en forme à froid, particulièrement attractive en termes environnementaux. Pour explorer et comprendre ces différences, nous utiliserons un polycristal colloidal transparent dont les propriétés micro et macroscopiques sont précisément contrôlables. Ce projet est matérialisé sous forme d’une ANR blanche obtenue en 2009, intitulée « Colloidal Metallurgy ».
  • Stabilité et dynamique des objets et des bulles dans les fluides à seuil
    La mécanique des particules non browniennes et des bulles en suspension dans des fluides à seuil est un champ de recherche encore peu exploré . Pourtant, il est au cœur du contrôle de la qualité des matériaux (bétons, boues de forage, produits alimentaires, sédiments...), de l’augmentation des performances des procédés (bio réacteur, mélangeage,...) ou de la maîtrise des écoulements géophysiques (laves torrentielles,...). Nos premières études ont permis de montrer que pour progresser dans la compréhension du comportement des objets en suspension, il faut dépasser les phénomènes aux échelles macroscopiques, et accéder aux phénomènes locaux aux plus petites échelles. L’objectif est alors de comprendre la stabilité et la dynamique des objets et des bulles en relation avec les champs locaux de contraintes, les modes locaux d’écoulement et les propriétés rhéologiques des fluides. Le développement de nouvelles méthodologies rhéométriques couplées à des mesures physiques telle la de biréfringence permettront de caractériser les phénomènes de localisation, de fracturation ou de modes d’écoulement particuliers et de les relier aux champs de contraintes sur des fluides modèles, du point de vue de leur physico-chimie et de leur microstructure (microgels, structure fractale). Les résultats expérimentaux orienteront la modélisation.

  • Mécanique des fluides hétérogènes, perception sensorielle et santé
    Les bols alimentaires et les fluides mis en jeu dans la digestion sont souvent des suspensions hétérogènes à seuil d’écoulement. Il est devenu indispensable de comprendre le rôle du comportement rhéologique sur le devenir de l’aliment dans le tube digestif ainsi que sur la perception sensorielle des aliments. Cette thématique de recherche est devenue d’une grande actualité compte tenu des enjeux économiques pour l’industrie agro-alimentaire ou pour les enjeux de santé. Un des objectifs ici sera de comprendre et modéliser les transferts de matière et les surfaces d’échange lors de la motilité dans le tube digestif. Une approche pluridisciplinaire (physiologie, biomécanique, rhéologie et physico-chimie) sera menée. Des couplages seront à identifier entre : la mécanique et stimuli des muqueuses, les propriétés de volume des fluides pâteux chargés de particules, les propriétés d’adhésion et les échanges aux interfaces fluides-muqueuses, la science des aliments et le génie des procédés. Le Laboratoire est porteur d’un projet « Péristaltisme Pharyngée » dans le cadre d’un PEPS INRA/CNRS - ST2I. Le projet Nomac (ANR ALIA) abordera un autre aspect de cette problématique. L’objectif de cette recherche est d’utiliser de nouvelles ressources génétiques pour élaborer de nouveaux produits à base de céréale pour les diabétiques et d’évaluer le rôle de la rhéologie sur la vidange gastrique et les aspects de la cinétique de digestion de l’amidon. La stratégie de ce travail est basée sur la complémentarité des équipes de recherche et à l’intégration de diverses disciplines scientifiques, de la génétique du blé en passant par l’étude in vitro chez l’homme et chez l’animal.

  • Instabilités d’écoulement
    Dans les procédés industriels liés au retraitement, au mélange, à la transformation, au revêtement, ou encore à la mise en forme de matériaux, l’apparition de structures instables est couramment observée. Bien que la compréhension des instabilités soit un enjeu majeur dans la maîtrise, le contrôle et l’optimisation des procédés, peu de travaux ont été réalisés dans le cas des fluides non-newtoniens. Ce projet a pour objet de comprendre l’influence des propriétés physiques spécifiques des fluides non-newtoniens sur les conditions d’instabilité. Les effets viscoélastiques et viscoplastiques notamment aux échelles microscopiques et macroscopiques, seront pris en compte. On caractérisera l’état des contraintes au sein du matériau ainsi que les morphologies d’écoulement et les efforts induits aux interfaces fluide-structure, en liaison avec le développement des instabilités. En particulier, plusieurs aspects seront étudiés : i) les instabilités hydrodynamiques de type inertiel telles que les allées de Von Karman ou l’écoulement de Poiseuille (extrusion des polymères) ii) les instabilités thermoconvectives dans les fluides à seuil, iii) les instabilités solutales et thermoconvectives induites par le séchage de films minces (Rayleigh-Bénard et Marangoni). Elles seront abordées de manière expérimentale, numérique et théorique au travers d’analyses de stabilité linéaire et non linéaire.


Laboratoire Rhéologie et Procédés - 363 rue de la Chimie- Bâtiment B - Domaine Universitaire - BP 53 - 38041 Grenoble cedex 9 - (33) 4 56 52 01 96