GIMD : thème Dynamique des milieux dispersés

Animatrice : Micheline ABBAS

Dans ce thème nous nous intéressons aux transferts et aux changements de propriétés dans les milieux dispersés.  La phase dispersée peut être constituée de particules solides, gouttes ou bulles (interface rigide ou déformable). Nous développons des expériences/simulations modèles pour comprendre les phénomènes à l’échelle locale, et déduire des lois pertinentes pour les procédés. Nos études portent sur:

  • le transfert d’impuretés ou d’additifs et leur influence sur la dynamique des interfaces en présence (glissement, rupture, coalescence, croissance) en milieu stagnant ou turbulent.
  • l’effet des conditions thermodynamiques et/ou hydrodynamiques sur l’évolution spatio-temporelle des populations, et leur distribution (morphologie et taille).
  • l’effet de la phase dispersée sur les propriétés du milieu (agitation,  rhéologie …)

Goutte oscillante en ascension : concentration en tensio-actifs

Dynamique de gouttes influencée par des tensio-actifs (B. Lalanne, O. Masbernat)

Dans les procédés d’émulsification, la prédiction de la fragmentation des gouttes en écoulement turbulent nécessite de caractériser leur dynamique d’oscillations de forme [Lalanne et al. AIChE 2019]. La présence de tensio-actifs influence cette dynamique en conférant aux interfaces une rhéologie viscoélastique. Dans la thèse d’A. Piedfert, nous avons développé un module de code de mécanique des fluides diphasiques afin de modéliser l’effet de tensio-actifs adsorbés aux interfaces. Nous avons observé que le taux d’amortissement des oscillations des gouttes peut fortement augmenter à cause des contraintes Marangoni. Par contre, dans un régime de faible couverture, nous avons montré que les gouttes peuvent osciller comme des gouttes propres alors que les tensio-actifs font chuter drastiquement leur vitesse d’ascension [Piedfert et al. Phys. Rev. Fluids 2018], retrouvant ainsi des observations expérimentales. 

Contact : Benjamin Lalanne

Pour en savoir plus : 

Piedfert, A., Lalanne, B., Masbernat, O., & Risso, F. (2018). Numerical simulations of a rising drop with shape oscillations in the presence of surfactants. Physical Review Fluids, 3(10), 103605. https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.3.103605

Croissance de cristaux

Influence des additifs sur la croissance des cristaux (B. Biscans, S. Teychené)

 

Notre objectif est de comprendre et maîtriser l’influence d’additifs choisis en fonction de leurs groupements fonctionnels, additionnés au milieu réactionnel, pour inhiber l’apparition de cristaux et/ou limiter leur croissance. En effet, l’énergie de surface d’un cristal peut diminuer par l’adsorption des molécules d’additif sur la surface des cristaux, en fonction du nombre de liaisons formées entre la molécule et la surface. Des modèles cinétiques de croissance des dépôts avec ou sans additifs, obtenus à l’échelle locale au laboratoire, ont été utilisés avec succès pour modéliser le pilote industriel en les couplant à l’hydrodynamique du système.

Contact : Béatrice Biscans

Pour en savoir plus :

Chhim, N., Kharbachi, C., Neveux, T., Bouteleux, C., Teychené, S., & Biscans, B. (2017). Inhibition of calcium carbonate crystal growth by organic additives using the constant composition method in conditions of recirculating cooling circuits. Journal of Crystal Growth, 472, 35-45. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2017.03.004

Ley-Ngardigal, K., Combes, C., Teychené, S., Bonhomme, C., Coelho− Diogo, C., Gras, P., … & Biscans, B. (2017). Influence of ionic additives on triclinic calcium pyrophosphate dihydrate precipitation. Crystal Growth & Design, 17(1), 37-50. 10.1021/acs.cgd.6b01128

    Evolution d’agrégats de particules sous contraintes hydrodynamiques (C. Frances, C. Coufort)

    Dans les procédés de production de solide en voie liquide, les propriétés fonctionnelles ou la qualité du produit final sont intrinsèquement liées à la distribution de taille et de forme de la phase dispersée (les particules). Nous développons des outils génériques visant la compréhension des processus d’agrégation et de rupture des particules dans ces milieux. La microscopie optique automatisée et l’acquisition d’images à haute fréquence nous ont permis d’obtenir des informations quantitatives relatives aux paramètres morphologiques dans des conditions hydrodynamiques et physico-chimiques « maîtrisées ». Des outils mathématiques complémentaires de type data-mining et méthodes bayésiennes nous ont permis de proposer de nouvelles lois phénoménologiques des phénomènes d’agglomération et de rupture qui pourront ensuite être intégrées dans des codes de bilans de population [Guerin et al. Coll. & Surf. A 2019, Gurérin et al. J. Coll. Int. Sci 2017, Vlieghe et al. Chem. Eng. Sci 2016].

    Contact : Christine Frances

    Pour en savoir plus :

    Guerin, L., Frances, C., Liné, A., & Coufort-Saudejaud, C. (2019). Fractal dimensions and morphological characteristics of aggregates formed in different physico-chemical and mechanical flocculation environments. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 560, 213-222. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2018.10.017

    Guérin, L., Coufort-Saudejaud, C., Liné, A., & Frances, C. (2017). Dynamics of aggregate size and shape properties under sequenced flocculation in a turbulent Taylor-Couette reactor. Journal of colloid and interface science, 491, 167-178. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2018.10.017

      Ellipsoids in turbulent Couette flow

      Modulation de la transition laminaire-turbulent dans les écoulements de suspension (M. Abbas)

      L’effet de la phase dispersée sur les propriétés de turbulence et donc de transfert est un phénomène clé dans de nombreux procédés. Des simulations numériques (basées sur la méthode Force Coupling Method) ont permis de comprendre comment les particules modifient la génération de la turbulence à proximité d’une paroi. Nous avons étudié plusieurs effets : forme, taille et densité des particules plus ou moins concentrées dans des configurations variées (écoulement en canal ou écoulement cisaillé). En comparant ces deux configurations d’écoulement, nous avons pu montrer que c’est l’accumulation préférentielle des particules dans certaines régions spécifiques de l’écoulement au voisinage de la paroi (où le fluide est éjecté violemment de la paroi vers le cœur de l’écoulement) qui est la cause principale des modifications à grande échelle des propriétés de la turbulence. Ceci peut conduire à une transition plus précoce à la turbulence des écoulements de suspension comme cela a été observé expérimentalement.

      Contact : Micheline Abbas

      Pour en savoir plus :

      Wang, G., Abbas, M., & Climent, É. (2018). Modulation of the regeneration cycle by neutrally buoyant finite-size particles. Journal of fluid mechanics, 852, 257-282. https://doi.org/10.1017/jfm.2018.513

        diagramme force particule

        Collision particule-paroi provoquée par un écoulement (M. Abbas)

        Pour mieux caractériser la dynamique des suspensions autour d’un obstacle ou dans un réseau de conduites, nous avons commencé par étudier le mouvement d’une particule isolée au voisinage d’un point de stagnation d’un écoulement normal à la paroi. Des simulations numériques (basées sur la méthode de frontières immergées) ont permis de montrer qu’une particule iso-dense décélère suffisamment avant d’atteindre la paroi si sa taille est petite en comparaison avec la taille de la couche limite. Par contre, si sa taille est voisine ou supérieure à celle de la couche limite, elle rentre en collision avec la paroi, en dépit des effets de lubrification. Pour deux particules s’approchant « à la queue leu leu » vers le point de stagnation, nous avons montré que la paire a une dynamique inattendue. Sous l’effet de pression importante au niveau du point de stagnation, la particule la plus proche de la paroi subit un « rebond sans contact » avec cette dernière, soulevant la paire bien loin de la paroi, dans le sens contraire à l’écoulement.

        Contact : Micheline Abbas

        Pour en savoir plus :

        Li, Q., Abbas, M., & Morris, J. F. (2020). Particle approach to a stagnation point at a wall: Viscous damping and collision dynamics. Physical Review Fluids, 5(10), 104301. https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.5.104301

        Li, Q., Abbas, M., Morris, J. F., Climent, E., & Magnaudet, J. (2020). Near-wall dynamics of a neutrally buoyant spherical particle in an axisymmetric stagnation point flow. Journal of Fluid Mechanics, 892. https://doi.org/10.1017/jfm.2020.185

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