De la thermique vers la rhéologie : caractérisation des matériaux non newtoniens via des événements thermiques

Qiao Lin1^{1}, Nadine Allanic1^{1}, Pierre Mousseau1^{1}, Manuel Girault2^{2}, Rémi Deterre1^{1}
⋆^{\star} : Qiao.Lin@univ-nantes.fr
1^{1} Laboratoire GEPEA
2^{2} Institut P’
Mots clés : viscosité, convection, dissipation visqueuse, méthode inverse, écoulement annulaire
Résumé :

Dans le cadre de l’identification de la viscosité en ligne, où le débit de l’écoulement est imposé par les paramètres de processus, des études récentes ont proposé différentes approches pour obtenir plus d’informations sur la rhéologie du fluide sans modifier les conditions de production. Une des démarches est d’utiliser la dissipation visqueuse et la convection. La dissipation visqueuse est provoquée par le cisaillement au sein de l’écoulement. La convection entre l’écoulement et une surface de paroi est aussi corrélée au profil de vitesse de l’écoulement, qui dépend de la courbe de viscosité du fluide. Différente de la méthode conventionnelle qui utilise des capteurs de pression pour identifier une viscosité apparente à la paroi d’un écoulement pour un débit donné, la démarche thermique apporte plus d’informations sur une certaine profondeur de l’écoulement par rapport à la paroi. Les premiers travaux réalisés ont permis de mettre au point une cellule de mesure thermo-rhéologique à mettre en ligne dans un procédé de mise en œuvre de type extrusion ou injection des matériaux polymères.

Imposant un écoulement annulaire dans ce dispositif instrumenté, nous montrons qu’à partir des mesures de température à l’axe central du conduit, la variation de la température due à la dissipation visqueuse à un débit constant permet d’indiquer un point critique sur la courbe de viscosité du fluide. De plus, l’échange par convection entre l’écoulement de polymère et l’axe central est sensible à l’indice de pseudo-plasticité du polymère, décrit par une loi de puissance. La loi de puissance en échelle logarithmique est en effet une droite ayant une pente constante définie par l’indice de pseudo-plasticité. Cependant, les polymères ont un comportement pseudo-plastique à taux de cisaillement élevé et un comportement Newtonien à faible taux de cisaillement, c’est-à-dire que la pente de la courbe de viscosité en échelle logarithmique varie et tend vers zéro quand le taux de cisaillement tend vers zéro.

Dans ce papier, des simulations numériques de l’écoulement annulaire d’un polypropylène sont réalisées. Le comportement rhéologique du polymère est modélisé par une loi de Cross. Des identifications virtuelles à partir des « mesures » simulées sont également effectuées. Les points critiques identifiés à différents débits se retrouvent sur la loi de Cross à différents taux de cisaillement. Les indices de pseudo-plasticité identifiés à différents débits sont en effet corrélés à la pente de la courbe de viscosité, aux points critiques obtenus aux mêmes débits.

Le résultat de cette étude montre qu’il est possible d’utiliser la démarche thermique pour identifier une zone de fonctionnement (liée à un débit donné) sur une courbe de viscosité complexe, et de décrire cette zone par une loi de puissance locale (point critique + pente), pour l’identification de la viscosité en ligne de production des polymères.

doi : https://doi.org/10.25855/SFT2023-126

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