Unité Mixte de Recherches du CNRS (UMR 7636)
Les recherches actuelles portent, d’une part, sur les transformations dans des matériaux : prise en gel sous écoulement, séparation de phases liquide-liquide en écoulement, cristallisation et prise en gel, prise des ciments et des bétons, vieillissement des matériaux de construction, et d’autre part, sur l’écoulement des milieux diphasiques : écoulements diphasiques eau-air permanents ou intermittents, écoulements diphasiques air-particules, sédimentation de particules, impact de gouttes.
- Transitions de phases dans les solides, les gels , les liquides purs et les solutions : métastabilité, nucléation, cinétique de transition de phase et démixtion
- Rhéologie des gels et des solutions
- Écoulements diphasiques : suspensions, mélange eau-air
Thèmes de Recherche
Transformation et mise en œuvre de matériaux
Gels et processus de gélification
En présence d’écoulement, les changements de phases du type gélification, agrégation, cristallisation ou démixtion, sont fortement perturbés par la compétition entre les forces hydrodynamiques dues au cisaillement et les forces attractives responsables de la formation de structures, amas ou gouttes. Les études menées dans ce vaste domaine tendent à améliorer les procédés utilisés dans l’agro-alimentaire, l’industrie pétrolière, ou l’élaboration de matériaux, en général.
- Agrégation et gélification sous écoulement ; mise au point de techniques rhéo-optiques (mesures simultanées du pouvoir rotatoire, de la biréfringence et des propriétés rhéologiques).
- Gélification en présence de démixtion dans les mélanges protéine-polysaccharide en solutions aqueuses ; diagramme de phase au repos ; effets du cisaillement sur la structure et les propriétés mécaniques finales des gels.
- Élasticité des gels de gélatine d’origines diverses (mammifères ou poissons) ; recherche d’un comportement universel reliant propriétés rhéologiques et microstructure (taux d’hélices).
- Gels colloïdaux cristallins de paraffines dans les bruts de pétrole.
Géo-matériaux, ciments et bétons
Dans les matrices cimentaires des matériaux destinés au génie civil, au chemisage des puits de pétrole, à l’enrobage et au stockage des déchets ultimes du nucléaire, les silicates de calcium hydratés, qui se forment par hydratation des silicates anhydres du ciment ou par réaction de la chaux avec la fumée de silice contenue dans les formulations, constituent les « ponts de colle » consolidant l’ensemble du matériau. Les propriétés mécaniques finales (résistance et durabilité) dépendent de la structure des hydrates formés et de la texture de l’ensemble consolidé. Différentes techniques de Résonance Magnétique Nucléaire sont utilisées pour étudier :
- la structure des hydrates en fonction des conditions de leur formation (pression, température, compacité de la matrice anhydre)
- la texture des bétons via la mesure de la porosité
- l’évolution de la structure et de la texture lors de la lixiviation des matériaux , en liaison avec leur durabilité.
Parallèlement à ces études, d’autres mécanismes de dégradation sont analysés :
- La réaction alcali silice qui, en générant des gels gonflants, conduit à un endommagement des bétons, abordée en étudiant l’expansion de gels silico-alumineux en présence de solutions ioniques
- La dégradation des bétons par l’environnement, abordée en étudiant l’invasion d’un milieu poreux modèle par les constituants d’une solution réactive.
Enfin l’optimisation de la tenue mécanique des structures enchevêtrées est analysée en étudiant la tenue à la traction de milieux constitués de particules minérales fibreuses.
Écoulement diphasiques
Particules dans un fluide visqueux
La sédimentation de particules dépend des interactions hydrodynamiques entre elles et aussi avec les parois du récipient. A l’échelle de quelques particules, les interactions peuvent être calculées. Le mouvement d’une particule est aussi mesuré par interférométrie laser. À l’échelle d’un nuage de particules, une théorie statistique est nécessaire. La structure de la suspension est mesurée avec une nouvelle technique de RMN analogue à la diffraction de la lumière.
En général, les fluides visqueux ne glissent pas sur les solides. Mais une théorie applicable aux surfaces hydrophobes utilise une condition de glissement pour rendre compte d’effets observés au microscope à force atomique.
L’inertie du fluide donne des forces de portance sur les particules. Cette théorie s’applique aux méthodes de séparation de type "fractionnement flux force".
Dynamique et thermique des gouttes
L’histogramme d’un nuage évolue par les collisions entre gouttes. Le calcul des écoulements à l’extérieur et à l’intérieur des gouttes détermine la vitesse d’approche avant collision. La prédiction de la formation de grosses gouttes est importante pour les aéronefs car de grosses gouttes en surfusion peuvent se congeler à leur contact. Ces conditions sont simulées dans des souffleries à givrage. Une technique de fluorescence induite par laser est mise au point pour mesurer la température des gouttes en vol.
A température ambiante, une goutte qui heurte une surface sèche peut s’étaler ou éclater suivant la rugosité de la surface (voir figures), sa mouillabilité,… Ceci s’applique à l’aéronautique, l’industrie automobile et l’agriculture. En dessous du point de congélation, l’impact peut créer différents types de givre.
Écoulements diphasiques en canal
L’étude des écoulements diphasiques eau-air stationnaires ou intermittents est abordée ici à l’aide de techniques dérivées de PFGSE-NMR1.
- Écoulement intermittent en canal vertical ; ce type d’écoulement, caractérisé par le passage pseudo-périodique de poches d’air et de régions diphasiques à bulles (bouchons) est observé lors du transfert du brut de pétrole ou lors du fonctionnement accidentel des circuits de refroidissement (nucléaire). Les interactions entre poches, résultent de deux mécanismes : - les échanges d’air entre les poches et les bouchons, - les interactions hydrodynamiques entre poches successives. L’objectif est de comprendre les mécanismes d’évolution de ce type d’écoulement et d’établir leurs conditions de stabilité.
- Fluctuations de flux de masse et de quantité de mouvement dans les écoulements à bulles ; la connaissance de ces fluctuations est fondamentale pour comprendre les interactions écoulement-structure dans les générateurs de vapeur.
- "Flashing" durant une dépressurisation rapide ; l’effet des différents types de nucléation est prise en compte pour modéliser les conditions de dépressurisation accidentelle d’une canalisation contenant de l’eau à température élevée.
Écoulements en milieux poreux
La compréhension complète du transport en milieu poreux requiert une caractérisation des mécanismes de transport à l’échelle des pores et l’étude des contributions de la convection, de la diffusion moléculaire et de la dispersion. Les caractéristiques de transport sont obtenues en comparant les résultats des analyses par PFGSE-NMR (séquence d’écho de spin en présence d’impulsions de gradient de champ magnétique) avec ceux issus des simulations numériques. L’analyse du transport sur différentes échelles permet, de caractériser les formes et les tailles des pores et de leurs connections, et de mettre en évidence les effets d’inertie. En transport diphasique (eau-huile, par exemple), les propriétés de chacune des phases (taux de saturation et transport) peuvent ainsi être caractérisées.
Personnel
- 8 chercheurs
- 8 étudiants en thèses
- 4 post-doctorants
- 4 stagiaires de DEA
- 4 ingénieurs, techniciens ou administratifs
Publications
1996-2000
- 110 publications écrites et orales
- 9 thèses
Principaux Équipements
- RMN haute résolution du solide (100, 300 et 500 MHz)
- RMN bas champ (5 MHz)
- Rhéomètres à contrainte imposée
- Système rhéo-optique
- Spectromètre pour diffusion quasiélastique de la lumière
- Spectromètre pour diffusion statique de la lumière
- Polarimètre automatique
- Caméra rapide
