Laboratoire Matière et Systèmes Complexes

Thèse de Antoine Gaillard effectuée sous la direction de Laurent Limat

Soutenance le mercredi 19 décembre 2018 à 14h00.

Lieu : bâtiment Condorcet, Amphithéâtre Pierre-Gilles de Gennes (niveau -1). La soutenance sera suivie d’un pot au 6e étage.

Écoulement et stabilité d’un rideau liquide viscoélastique

Résumé :

Les rideaux liquides sont présents dans de nombreux procédés industriels tels que la technique d’enduction au rideau ("curtain coating" en anglais) qui permet de déposer un revêtement liquide (peinture par exemple) sur un substrat solide. Le liquide s’écoule librement et à débit constant depuis une fente mince sous l’effet de la gravité (voir figure) avant d’impacter un substrat en mouvement horizontal. Les liquides utilisés dans l’industrie sont généralement non Newtoniens et les propriétés du rideau dépendent alors de la rhéologie du liquide utilisé. Dans cette thèse, nous étudions expérimentalement l’écoulement et la stabilité du rideaux dans le cas d’un liquide viscoélastique. Nous utilisons des solutions de polymères flexibles et semi rigides. L’écoulement U(z) de ces liquides est mesuré par vélocimétrie (PIV), où U est la vitesse de chute et z est la distance à la sortie de la fente. Il se caractérise par un équilibre initial entre la gravité et les forces élastiques causées par les déformations des chaînes de polymère, jusqu’à ce que l’inertie du liquide finisse par dominer et que l’on retrouve le comportement classique de chute libre. Nous montrons que l’écoulement est principalement influencé par la valeur du temps de relaxation extensionnel mesuré par une méthode de filamentation. Un nouvel éclairage sut l’écoulement des rideaux liquides Newtoniens nous permet de trouve une courbe maîtresse de l’écoulement dans le cas viscoélastique par analogie. En ce qui concerne la stabilité du rideau, nous observons que le débit critique de formation du rideau n’est pas affecté par la présence de polymères, tandis que le débit minimum en deçà duquel le rideau se rompt diminue après ajout de polymères, ce qui révèle une plus grande résistance de la nappe à l’initiation de trous. Par ailleurs, nous observons une instabilité de l’écoulement pour les solutions les plus rhéofluidifiantes où des bandes épaisses (où la vitesse du liquide est supérieure à la moyenne) sont formées au sein du rideau. Une visualisation de l’écoulement à l’intérieur de la filière d’extrusion ("die" en anglais) révèle que ce phénomène est lié à une instabilité de l’écoulement de contraction en amont de la fente, où l’écoulement est de nature instationnaire et tridimensionnelle.