Comportement non-newtonien des fluides

La Figure 5.6 présente l’évolution des contraintes pariétales en fonction du pseudo-cisaillement (

4Q R

³

8U D

) pour la suspension de bentonite 5%, des mélanges bentonite/CMC 5%/0.1% et bentonite/CMC 5%/0.5% dans les deux régimes d’écoulement, laminaire et turbulent. Les mesures expérimentales ont été comparées à des prédictions théoriques. La comparaison entre les mesures expérimentales extraites de la Figure 5.5 et de la Figure 5.6 montre que les mesures obtenues en utilisant le rhéomètre AR2000 sont du même ordre de grandeur que les mesures en écoulement dans une conduite cylindrique (boucle hydraulique), déduites des profils de vitesse. On peut aussi observer que les mesures expérimentales sont en bonne concordance avec le modèle Herschel-Bulkley en régime laminaire. Les courbes suivent la même allure que celle du milieu dispersant (eau) en régime turbulent ainsi que le profil obtenu avec l’équation de Dodge et Metzner. Cette dernière reproduit correctement l’écoulement de la suspension de bentonite 5%. Il est à noter que le modèle de Dodge et Metzner appliqué aux deux suspensions, bentonite/CMC 5%/0% et bentonite/CMC 5%/0.1% donne également de bons résultats. Même s’il n’est pas évident de localiser la transition du régime laminaire au régime turbulent, elle peut être estimée par le cisaillement correspondant au point d’inflexion de la courbe d’écoulement.

Figure 5.6 Contraintes pariétales vs. Pseudo-cisaillement pour des suspensions âgées de 10 jours.

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TUDE EXPERIMENTALE DES COMPLEXES ARGILE

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POLYMERE

163 Il est aussi intéressant de remarquer que les résultats obtenus montrent que les mesures expérimentales sont bien corrélés avec l’équation newtonienne de Blasius et la corrélation de Dodge et Metzner pour les fluides rhéofluidifiants, en régime turbulent mais qu’aux nombres de Reynolds élevés, la courbe d’écoulement des suspensions de bentonite n’est plus affectée par les propriétés rhéologiques.

Les mesures rhéologiques ont montré (Figure 5.4 et Figure 5.5) que l’ajout du polymère modifie considérablement les propriétés de la suspension de bentonite de base. Cela se traduit par une augmentation considérable de la viscosité, particulièrement en régime laminaire. Inversement, en régime turbulent, la courbe du mélange argile-polymère passe en-dessous de celle de l’argile sans additif. Ce résultat est en parfait accord avec les commentaires faits ci-dessus à propos de l’effet des polymères sur la réduction de frottement dans les écoulements en conduite de fluides non-Newtoniens. Ainsi, pour un même taux de cisaillement, la contrainte pariétale atteinte pour un système argile-polymère est inférieure à celle de la suspension d’argile. En effet, le polymère agit fortement sur la partie proche paroi, les macromolécules ont tendance à jouer un rôle de lubrifiant en diminuant les frottements dans cette région de la conduite. Une autre observation intéressante est le déplacement, avec l’ajout de polymère, de la transition à l’écoulement turbulent vers des valeurs plus élevées de taux de cisaillement. Dans le cas du mélange bentonite/CMC 5%/0.5%, la turbulence n’est pas observée dans la gamme des taux de cisaillement mesurés.

5.4.2 Coefficient de frottement

L’évolution du coefficient de frottement en fonction du nombre de Reynolds pariétal Rep est tracée sur la Figure 5.7, pour la suspension de bentonite et les mélanges bentonite polymère. On peut observer que les mesures expérimentales du coefficient de frottement sont en accord avec l’équation de Hagen-Poiseuille (

f 16 Re

) en régime laminaire. En régime turbulent, l’équation de Blasius et la corrélation de Dodge et Metzner ont été utilisées dans la représentation (f - Rep). Concernant la suspension de bentonite et le mélange bentonite/CMC 5%/0.1%, pour lesquelles le régime turbulent est atteint, la corrélation de Dodge et Metzner reproduit correctement les données expérimentales, tandis que l’équation de Blasius les surestime. Ce résultat était prévisible puisque cette équation est destinée à la modélisation de l’écoulement des fluides Newtoniens. Il faut noter que l’évolution du coefficient de pertes de charge pour la suspension de bentonite 5% est pratiquement identique à celle obtenue pour le système bentonite/CMC 5%/0.1%. Ceci s’explique par le fait que, pour ces deux fluides, les indices d’écoulement sont très proches dans la gamme de gradients pariétaux étudiés (2500 < Rep < 4000). Les résultats ont été aussi comparés à l’asymptote (MDRA) de Virk. Cependant, la réduction de frottement est estimée avec l’équation 4.8 (cf. 4.4.4.2). DR a une valeur maximale de 18% pour la suspension de bentonite à 5% et de 24% pour le mélange bentonite/CMC 5%/0.1%.

CHAPITRE 5

164 Les résultats montrent une amplification de la réduction de frottement due à l’ajout du polymère. Cela indique que le polymère confère à la suspension de bentonite des propriétés de réduction de frottement plus élevées. La réduction de frottement est associée aux propriétés viscoélastiques de la solution de CMC et l’interaction de la structure du CMC et de la structure de l’écoulement proche de la paroi joue un rôle important.

Dans la littérature, les travaux concernant le CMC s’intéressent généralement plus à ses propriétés viscosifiantes qu’à son rôle comme réducteur de frottement. On peut cependant trouver quelques articles portant sur sa capacité de réduire les coefficients de perte de charge en régime turbulent. Hirose (1971) a analysé l’effet réducteur de frottement du CMC en faisant varier la concentration, de 0.01 à 0.5%, et la masse moléculaire du polymère. Il en conclut que la réduction de frottement du CMC augmente avec la concentration. Il mesure un maximum de réduction de frottement pour la concentration la plus élevées (0.5%). La masse moléculaire a le même pouvoir d’augmentation de la réduction de frottement. Interthal et Wilski (1985) ont, quant à eux, établi que la réduction de frottement atteint approximativement 30%, pour une solution de CMC à 300 ppm en concentration.

Les polymères utilisés comme réducteurs de frottement ont un sérieux inconvénient. Ils se dégradent lorsqu’ils sont sujet à des taux de cisaillement élevés ou à de fortes extensions [Taeho et al. (1996), Nguyen et Kausch (1986), Brostow et al. (1990), Kalashnikov (2002), Lee et al. (2002), Wang et al. (2011)].

Les polymères à masse moléculaire élevée sont particulièrement sensibles à cette dégradation. En effet, Patterson et Abernathy (1970) ont montré que plus les chaînes

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TUDE EXPERIMENTALE DES COMPLEXES ARGILE

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POLYMERE

165 polymériques sont longues et plus le polymère est sujet à une dégradation par scission de la chaîne polymérique.

Dans le document Rhéologie et écoulement de fluides chargés : application aux réseaux d'assainissement urbains : étude expérimentale et modélisation (Page 177-180)