Cette expérience a pour but de comparer l’écoulement sous gravité de fluides à seuil différents, l’émulsion inverse et le carbopol dans notre cas, dans des tamis qui font office de milieux poreux modèles simplifiés. Cette expérience simple à réaliser, permet de mesurer l’évolution de la masse passée à travers le tamis en fonction du temps et en particulier la quantité finale de fluide passé avant arrêt de l’écoulement. Cela permet d’apporter des
2.2 Tamis 49
Type Fluide τc (P a) k (P a.sn) n Manip hauteur/milieu
Emulsion
Einj3 71 12,7 0,36 Inj 16cm Einj1 54 13,4 0,36 Inj 16cm
Et2 74 10 0,46 Tamis
EIRM1 74 13,5 0,4 IRM Pores modèles EIRM2 74 13,5 0,4 IRM Pores modèles EIRM12 74 13,5 0,4 IRM Pores modèles EIRM124 63 13 0,4 IRM Poreux
EIRM4 63 13 0,4 IRM Poreux
Carbopol CB-1-16 89 34 0,36 Inj 16cm C07-B-1-8 89 35 0,36 Inj 8cm C4-06-4 78 33 0,36 Inj 4cm C4-06-8 78 33 0,36 Inj 8cm C08-B-2-8 73 49 0,36 Inj 8cm C1-04-16 55 23,5 0,36 Inj 16cm C05-B-8 44 42 0,36 Inj 8cm C5-013-16 19 4,7 0,36 Inj 16cm C3-01-16 8 3,6 0,36 Inj 16cm C3t 62 23 0,36 Tamis C5c 43 16,5 0,36 Tamis
Tableau 2.2 – Propriétés rhéologiques de l’ensemble des fluides utilisés. "Inj" désigne les expériences d’injection macroscopiques et "IRM" les expériences d’injection sous IRM.
10 -3 10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 2 100 150 ) ( Pa ) ( 1 s
Figure 2.12 – Emulsion Et2 : inhomogénéité dans un bécher de préparation. Haut du bécher : τc = 79P a (ronds), milieu : τc = 73P a (carrés), bas : τc = 74P a (triangles).
10 -3 10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 2 100 150 ) ( Pa ) ( 1 s 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 2 100 150 200 250 ) ( Pa ) ( 1 s
Figure 2.13 – A gauche : Emulsion EIRM2 : courbes d’écoulement venant de 5 béchers d’émulsion préparés à la suite. La barre d’erreur est de 8%. A droite : Carbopol C4 : courbes d’écoulement venant de 2 pots de carbopol préparés à la suite. La barre d’erreur est de 5%. informations supplémentaires sur le phénomène de blocage de ces matériaux et de regarder l’impact de la nature du fluide.
Description Nous avons mené des expériences consistant à laisser s’écouler le matériau à travers un milieu poreux simplifié, ici un tamis, sous l’action de la gravité. Le matériel expérimental est composé d’un tube en plexiglass (longueur : 30cm, diamètre 8cm) au bout duquel est emboité un tamis dont la taille de maille varie de 20µm à 1mm (voir figure 2.14).
Protocole Afin de remplir le tube de fluide, nous le retournons et plaçons une boite à l’extrémité basse pour boucher la sortie. Nous remplissons ensuite le tube en plaçant un
2.2 Tamis 51 ❇❛❧❛♥❝❡ ❇é❝❤❡r ❚❛♠✐s ❚✉❜❡ ❋❧✉✐❞❡
Figure 2.14 – Montage expérimental pour l’expérience d’écoulement à travers des tamis. Le tube contenant le fluide est maintenu vertical. Le tamis est emboité sur le tube. L’ensemble est placé au dessus d’une balance reliée à un ordinateur et un bécher est placé sur cette dernière pour récupérer le fluide.
entonnoir ayant un diamètre de sortie large et nous versons rapidement le fluide dans l’en- tonnoir. Cela permet de faire s’écouler le fluide de manière assez continue et donc d’éviter de piéger de grosses bulles d’air. Remarquons qu’ici la présence de quelques bulles d’air dans le fluide n’est pas très importante. En effet, une quantité limitée de bulles d’air ne perturbe pas l’écoulement. Par ailleurs, aucune couche d’air ne semble se former de part et d’autre du tamis. Nous plaçons ensuite le tamis voulu à l’extrémité du tube prévue à cet effet. Cette méthode est adaptée aux fluides à seuil ayant des seuils suffisamment élevés (seuil supérieur à 30P a environ) car sinon tout s’écoule dans la boite. Pour des fluides avec un seuil plus faible ou des fluides newtoniens, on peut choisir d’emboiter le tamis sur le tube, de mettre un bouchon en mousse sous le tamis et de remplir ensuite le tube. Enfin, l’ensemble tube/tamis est surrélevé et une balance est placée en dessous afin de peser la masse de fluide passant à travers le tamis. L’acquisition est lancée puis la boite (ou le bouchon) est enlevée et l’essai commence. Nous arrêtons l’essai au bout de 103
s (≈ 15min).
L’inconvénient du remplissage avec le bouchon dans le tamis se situe au début de l’essai : pendant l’extraction du bouchon, le fluide commence à s’écouler et donc le début de l’écou- lement est légèrement perturbé. Pour ce qui est de la boite, si elle n’est pas bien maintenue en position, du fluide s’écoule du tube et donc la hauteur de fluide initiale est plus faible que voulue et comme avec cette méthode la colonne est à retourner, le fluide vient impacter le tamis lors du démarrage de l’expérience. Nous avons utilisé des fluides à seuil élevé et la méthode "de la boite" plutôt que "du bouchon" pour remplir la colonne.
L’acquisition se déroule sur 103s avec un point toutes les secondes. Le temps total a été
Fluide τc (P a) Taille des mailles (en µm)
20 40 80 125 250 500 1000
Et2 74 x x x x x x
C3t 62 x x x x x x x
C5c* 43 x x
Tableau 2.3 – Essais réalisés pour l’écoulement dans des tamis. Le détail des propriétés rhéologiques est reporté dans le tableau 2.2. Le symbole * marque l’essai réalisé par C. Baschet durant son stage.
ne s’écoule pas de manière continue mais par "grosses gouttes". A mesure que l’écoulement a lieu, la hauteur de fluide dans la colonne diminue et donc l’écoulement ralentit. Le fluide a donc de plus en plus le temps de sécher. Par ailleurs, au-delà des 103s, le fluide ne s’écoule
que très lentement. Nous avons donc limité la durée totale d’un essai afin de ne pas modifier les caractéristiques du fluide en cours d’expérience. L’intervalle de temps d’une seconde entre chaque mesure permet de suivre le début de l’écoulement de manière satisfaisante quels que soient la taille du tamis et les fluides utilisés.
Tous les essais d’écoulement réalisés à travers des tamis sont listés dans le tableau 2.3. Contrôle du fluide Nous réutilisons le matériau pour réaliser l’ensemble d’une série d’ex- périences. Nous avons vérifié que l’expérience ne modifie pas les caractéristiques du matériau en effectuant des tests rhéométriques sur des échantillons de fluide avant et après le passage dans les tamis (voir figure 2.15).
10 -3 10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 2 100 150 ) ( Pa ) ( 1 s
Figure 2.15 – Courbes d’écoulement d’émulsion avant et après leur passage dans un tamis. La barre d’erreur est de 8%. Fluide en entrée (carrés et triangle haut) et fluide en sortie (diamant et triangle pointe en bas).
Répétabilité de l’écoulement sous tamis Afin de valider la procédure expérimentale d’écoulement sous gravité dans les tamis, nous avons testé la répétabilité des expériences.
2.3 Essai d’injection macroscopique 53