La rhéologie des suspensions non-Browniennes : une histoire de contact

Les écoulements lents de suspensions de particules solides non-browniennes sont omniprésents dans les problématiques industrielles (polymères chargés, béton frais, moulage des propergols) et les phénomènes naturels (écoulements sédimentaires marins, glissements de terrain). Même lorsque le fluide suspendant est simple, ces suspensions exhibent une rhéologie complexe, et ce d’autant plus que la fraction de solide est élevée. Ainsi, la viscosité du matériau augmente avec la fraction solide jusqu’au blocage complet, tandis que des contraintes normales anisotropes se développent. D’autre part, lorsque la suspension est cisaillée, les particules sont animées d’un mouvement stochastique, alors même que le mouvement brownien, d’origine thermique, est complètement négligeable. Ceci induit par exemple à l’échelle macroscopique des gradients de fraction volumique solide pour peu que le taux de cisaillement soit hétérogène.

Depuis les travaux d’Einstein en 1906 sur la viscosité des suspensions diluées, de nombreuses études expérimentales, théoriques et numériques ont été dévolues à la compréhension de ces différents phénomènes. Les descriptions théoriques se sont longtemps focalisées sur les interactions hydrodynamiques entre particules. Cependant, la question des interactions directes entre particules, en lien avec la microstructure induite par le cisaillement, s’est posée de façon croissante, jusqu’à devenir centrale actuellement.

Dans cet exposé, j’aborderai quelques aspects récents de la physique des écoulements de suspensions non-browniennes en m’appuyant sur des expériences et des simulations. Je montrerai comment des mesures directes de la microstructure induite par un écoulement confirment l’existence de contacts directs entre particules via les rugosités de surface. Je discuterai ensuite, à travers des résultats de simulation numérique, de l’influence des forces de contact et en particulier de la friction sur le comportement rhéologique des suspensions. Enfin, je terminerai en présentant quelques expériences qui permettent d’estimer la contribution des forces de contact à la viscosité totale d’une suspension.