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Deux exemples d’interaction entre bulles et milieu élastique : fluide à seuil aéré et écoulement diphasique dans un canal déformable

Lucie Ducloué Manchester Centre for Nonlinear Dynamics, University of Manchester

Fluide à seuil aéré
avec Guillaume Ovarlez, Olivier Pitois, Julie Goyon et Xavier Chateau

 

Les fluides à seuil sont des matériaux versatiles, solides en deçà d’une contrainte minimum et qui s’écoulent lorsque la contrainte qui leur appliquée dépasse cette valeur seuil. Ils sont largement utilisés dans l’industrie (gels et crèmes de l’industrie cosmétique, mousses et crèmes alimentaires, mais aussi plâtres ou bétons frais dans la construction, par exemple) où leur rhéologie complexe trouve une multitude d’applications mais représente un défi lors de la mise en œuvre. Nous nous intéressons ici à la modification des propriétés mécaniques induite par l’ajout de bulles dans un fluide à seuil. Dans un contexte industriel, ces bulles peuvent soit avoir été volontairement ajoutées (cas des crèmes glacées ou des plaques de plâtre, par exemple), soit piégées lors de la fabrication du matériau. Pour cette étude expérimentale, des bulles monodisperses ont été incorporées dans des fluides à seuil modèles (émulsions huile-dans-eau concentrées). Des mesures de rhéométrie permettent de caractériser le module élastique, la contrainte seuil et la loi de comportement en écoulement des émulsions aérées. On montre que pour des fractions volumiques en gaz inférieures à la fraction critique de percolation des bulles dans le fluide à seuil, la réponse macroscopique des suspensions de bulles est le résultat d’un couplage entre la rhéologie du fluide à seuil interstitiel et la capillarité qui s’exerce à la surface des bulles. L’introduction de nombres capillaires permet de quantifier ce couplage et de comparer les résultats expérimentaux obtenus à une estimation micro-mécanique.

Écoulement diphasique dans un canal déformable
avec Anne Juel et Andrew Hazel

 

L’affaissement pulmonaire se traduit par une rétraction des poumons, qui, obstrués par le liquide naturellement présent sur leur paroi, n’effectuent plus leur rôle de ventilation. On pense que cet affaissement s’étend à la totalité des poumons avant la naissance, avant leur réouverture à la première inspiration du nourrisson. Un affaissement total ou partiel d’un poumon peut également se produire plus tard à la suite de maladies. Dans les deux cas, la réouverture des voies pulmonaires affaissées se fait par la propagation d’un long doigt d’air qui rétablit l’échange de gaz et rend leur forme fonctionnelle aux voies pulmonaires. Pour comprendre le mécanisme de cette réouverture, on s’intéresse à la propagation d’une bulle d’air dans un canal déformable initialement rempli de liquide visqueux. Le canal, rectangulaire et de faible profondeur, est creusé dans un bloc de plexiglas. Sa paroi supérieure est formée par une feuille de latex dont on peut régler le degré d’affaissement avant le début de l’injection d’air. Lors de la réouverture du canal par la bulle d’air, la forme de la bulle, sa pression et le gonflement de la membrane sont enregistrés. Différents modes de propagation sont observés, en fonction de l’importance relative des forces visqueuses et élastiques dans le système. Une déstabilisation se produit par ailleurs à l’interface du doigt d’air qui se propage, résultant en un motif qui rappelle la croissance dendritique parfois observée lors de l’instabilité de digitation visqueuse en cellule de Hele-Shaw.