Le Centre de recherche

Nos tutelles

Rechercher




Accueil du site > Thèmes scientifiques > Physique des systèmes complexes hors équilibre > Écoulements hétérogènes > Bandes de cisaillement

Introduction

Ça coule de manière bizarre !

Introduction

- Mise en évidence du shear-banding dans divers fluides complexes
- Découverte de phénomènes spatio-temporels complexes

Lorsqu’un fluide complexe est soumis à un cisaillement, l’écoulement est susceptible de modifier de façon drastique la microstructure du fluide. En général, lorsque le cisaillement augmente, la microstructure se réorganise et s’ordonne de façon à minimiser la dissipation visqueuse, ce qui conduit à une diminution de la viscosité (comportement « rhéofluidifiant »). Parfois, cette réorganisation est si forte qu’elle entraîne une véritable « transition de phase hors d’équilibre » conduisant à l’apparition de phases induites de viscosités très différentes de celle du fluide au repos. La coexistence d’une phase induite par le cisaillement avec la phase de départ se traduit par un écoulement inhomogène où la phase induite (plus fluide) supporte un taux de cisaillement supérieur à la phase de départ (plus visqueuse).

La théorie prévoit alors l’apparition de bandes de cisaillement (ou « shear-banding ») correspondant aux deux microstructures différentes. En mesurant le profil de vitesse dans une cellule de Couette par diffusion dynamique de la lumière, nous avons mis en évidence la présence de bandes de cisaillement dans une solution de micelles géantes (transition isotrope-nématique) [1] et dans une phase lamellaire (transition désordre-ordre dans une assemblée de vésicules multi-lamellaires) [2]. Ces résultats ont constitué la première confirmation quantitative du scénario de « shear-banding » prédit par la théorie. La figure ci-dessous présente un exemple de bandes de cisaillement observées dans les micelles géantes (CPCl-NaSal à 6 %).

La courbe d’écoulement (à gauche) présente un plateau de contrainte caractéristique d’une transition de phase induite par le cisaillement. Les profils de vitesse enregistrés le long du plateau de contrainte (à droite) montrent l’apparition d’une bande fortement cisaillée au voisinage du rotor (situé en x=0) qui croît à mesure que l’on augmente le cisaillement.

Un cas limite de shear-banding est le cas où l’une des deux bandes n’est pas cisaillée et se comporte comme un solide. Cette coexistence solide-liquide sous cisaillement est observée dans les émulsions ainsi que dans les pâtes granulaires.

De plus, ces écoulements en bande s’accompagnent généralement de fluctuations temporelles importantes [3,4]. Grâce à sa très bonne résolution temporelle, la vélocimétrie ultrasonore nous a permis de mettre en évidence des comportements spatio-temporels complexes. Voici quelques exemples de telles fluctuations dans une solution de micelles géantes (CTAB à 20% dans le D_2O) [5].

À gauche sont présentés des profils de vitesse individuels v(x) et à droite, les diagrammes spatio-temporels du taux de cisaillement local \dot{\gamma}(x,t) codé en niveaux de gris. On peut observer l’apparition intermittente d’une bande fortement cisaillée au rotor (a-b), des oscillations périodiques de l’interface entre les deux bandes de cisaillement (c-d) ou encore la nucléation transitoire d’une seconde bande fortement cisaillée et très instable au stator (e-f). Enfin, on note que dans cette expérience où la vitesse de rotation du rotor est maintenue fixe, tous ces phénomènes « en volume » s’accompagnent d’une importante dynamique des vitesses de glissement aux parois.

Ces résultats expérimentaux posent d’importantes questions théoriques. En effet, les modèles actuels reposent sur des équations phénoménologiques. S’ils permettent de reproduire certaines observations comme les oscillations du fluide en volume ou encore les dynamiques chaotiques appelées « rhéo-chaos », il leur manque des ingrédients microscopiques permettant d’élucider les mécanismes physiques qui sous-tendent ces dynamiques. En particulier, les approches théoriques négligent les phénomènes de glissement aux parois, récurrents dans les expériences.

Post-scriptum :

- [1] J.-B. Salmon, A. Colin, S. Manneville, F. Molino
Velocity profiles in shear-banding wormlike micelles
Phys. Rev. Lett. 90, 228303 (2003)

- [2] J.-B. Salmon, S. Manneville, A. Colin
Shear-banding in a lyotropic lamellar phase. Part 1 : Time-averaged velocity profiles
Phys. Rev. E 68, 051503 (2003)

- [3] J.-B. Salmon, S. Manneville, A. Colin
Shear-banding in a lyotropic lamellar phase. Part 2 : Temporal fluctuations
Phys. Rev. E 68, 051504 (2003)

- [4] S. Manneville, J.-B. Salmon, A. Colin
A spatio-temporal study of rheo-oscillations in a sheared lamellar phase using ultrasound
Eur. Phys. J. E 13, 197-212 (2004)

- [5] L. Bécu, S. Manneville, A. Colin
Spatio-temporal dynamics of wormlike micelles under shear
Phys. Rev. Lett. 93, 018301 (2004)