Etude de glissement : choix de rugosité et de l’entrefer

Pour rappel, le glissement est défini par l’existence d’une zone près des parois où la concentration en particules est nulle due au phénomène de déplétion. Cette très fine couche au contact de la paroi devient moins visqueuse que le reste du matériau. Cet effet cause une modification dans le profil de vitesse au sein du matériau qui devient discontinu entre cette couche fine et le reste du matériau au sein de l’entrefer. La conséquence de ce phénomène est un abaissement du niveau de contrainte mesurée pour une vitesse de cisaillement donnée. La rugosité de la surface, la taille des particules et la taille de l’entrefer sont les facteurs qui influencent le phénomène de glissement. La rugosité doit être faible devant l’entrefer et grande devant la taille des particules [16]. Dans le cas contraire les mesures données par l’appareil ne caractérisent pas correctement le matériau. La mesure devient dépendante des conditions d'étude et l'état de cisaillement devient inconnu au sein de l'échantillon et dans le cas des fluides à seuil l’abaissement de contrainte est encore plus significatif et peut conduire à sous-estimer cette valeur. [1]

Le glissement est associé au couple : fluide, configuration des parois. Il dépend de la nature du fluide ainsi que de la nature de la rugosité des surfaces des parois. Il peut être détecté en comparant les courbes d’écoulement obtenues pour différentes géométries ou différentes rugosités. La méthode pour éviter le glissement est d’utiliser des surfaces rugueuses en collant du papier de verre sur les parois lisses par exemple. [1]

Pour étudier le phénomène de glissement, des mesures sont faites en changeant la rugosité de surface des plans et en testant pour chaque cas trois valeurs de l’entrefer. On peut considérer que le glissement n’a plus d’effet quand les courbes d’écoulement obtenues pour différentes valeurs de l’entrefer se superposent [63].

Les papiers de verre utilisés et les entrefers sont regroupés dans le tableau suivant :

Papier de verre Taille moyenne des grains (µm) Valeurs de l’entrefer P1000 18,3 300µm, 450µm, 600µm P800 21,8 P500 30,2 P240 58,5

Tableau 2. 5 : Les papiers de verre et les entrefers utilisés pour les tests de glissement

Le protocole de la courbe d’écoulement est commun pour tous les essais en changeant seulement soit l'entrefer soit la rugosité (fig. 2.24). La mesure débute par l’application d’un précisaillement de 10 s-1 pendant 120s suivi d’un temps de repos de 600s. Puis des paliers de vitesses de cisaillement allant de 0,001 s-1 à 1000 s-1, sont appliqués par valeurs croissantes

Alors, par la suite, chaque courbe d’écoulement est débutée par un pré-cisaillement de 10s-1 pendant 120s suivi par un repos de 600s.

Chapitre 2

puis décroissantes pour obtenir la courbe d’écoulement. La durée du palier est 30 s et la mesure est faite sur les 10 dernières secondes.

Les papiers de verre sont collés sur la face mobile et la face fixe de la géométrie étant donné que le glissement peut se manifester au niveau des deux plans (glissement sur la partie mobile en petites déformations et sur la partie statique en grandes déformations dans un test sur un tofu [1]). La figure 2.31 montre les courbes d’écoulement pour les différents entrefers dans les deux cas de rugosité extrêmes (P1000 et P240).

Figure 2. 31 : Courbes d'écoulements obtenues en utilisant des papiers de verre a) P1000 b) P240 sur les deux plans de la géométrie

En s’intéressant à la courbe de descente où le régime est établi, nous remarquons que pour des fortes vitesses de cisaillement la taille de l’entrefer n’a pas d’effet pour chaque rugosité. Tandis que pour les faibles vitesses de cisaillement, il existe un écart entre les 3 entrefers utilisés. Cet écart diminue en augmentant la rugosité.

Chapitre 2

Pour bien montrer ces résultats, nous avons pris pour chaque rugosité, la partie descente de la courbe d’écoulement qui correspond à l’entrefer 300 µm comme courbe de référence. La différence de contrainte relative aux autres courbes de descente et aux autres entrefers par rapport à celle-ci est calculée. La figure 2.32 montre que dans tous les cas de rugosité, l’écart relatif diminue avec l’augmentation de la vitesse de cisaillement. Le glissement est plus significatif pour des faibles vitesses de cisaillement [64] comme dans notre cas. En outre, en passant d’un papier de verre P1000 à P240, l’écart maximal pour les valeurs de l’entrefer 600 µm et 300 µm passe de 15% à 5% et pour les valeurs des entrefers 450 µm et 300 µm de 8% à 2,4%. Les trois courbes de descente pour les trois entrefers sont plus proches pour une rugosité plus grande. Nous pouvons dire que le glissement est limité en augmentant la rugosité à P240 alors que nous n’observons presque pas d’effet quant à l’entrefer.

Figure 2. 32 : Pourcentage d'écart des contraintes de l'entrefer 450 µm et 600 µm par rapport aux contraintes de l'entrefer 300 µm dans la partie descente de la courbe d'écoulement

Choix de l’entrefer :

Trois autres tests répétitifs sont effectués pour chaque entrefer avec le même protocole d’écoulement (fig. 2.24) et en utilisant la rugosité P240. Les courbes d’écoulement de 4 essais répétés (3 essais et l’essai fait avant) pour chaque valeur de l’entrefer sont regroupées. Pour les courbes de descente, le pourcentage (écart type/moyenne) des contraintes est calculé pour chaque vitesse de cisaillement (fig. 2.33). Nous remarquons que pour un entrefer de 600µm, les résultats sont plus répétables que ceux de 300µm et 450µm surtout pour les grandes vitesses de cisaillement. Nous choisissons pour la suite l’entrefer de 450µm car l’écart type est le plus constant quelle que soit la vitesse de cisaillement.

La rugosité des plans à prendre par la suite est le papier de verre P240

Chapitre 2

Figure 2. 33 : Vérification de la répétabilité des essais rhéométriques pour les entrefers 300 µm, 450 µm et 600 µm dans la courbe de descente