Modélisation du fonctionnement d'un nouveau type de mélangeur

166 Pages·2011·12.63 MB·French

by  Loux Cyril

N◦ d’ordre:1054
ÉcoledoctoraledePhysiqueetChimiePhysique
THÈSE
pourobtenirlegradede
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE STRASBOURG
Discipline:Chimiephysique
présentéepar
Cyril LOUX
Modélisation du fonctionnement d’un nouveau type de
mélangeur : simulation des écoulements, validation sur des
systèmes modèles et optimisation du procédé
Soutenuepubliquementle04juillet2011
Membresdujury
Directeurdethèse : R.Muller, Professeur,UniversitédeStrasbourg,France
Co-directeurdethèse : G.Bouchet, Chargéderecherche,iusti,Marseille,France
Rapporteurexterne : A.Ammar, Professeur,ENSAMAngers,France
Rapporteurexterne : F.Chinesta, Professeur,EcolecentraledeNantes,France
Examinateurexterne : M.Mackley, Professeur,UniversityofCambridge,UK
Examinateurinterne : Y.Rémond, Professeur,UniversitédeStrasbourg,France
Membreinvité : R.Valette, Docteur,CEMEF,EcoledeminesdeParis,France
LiPHT,Laboratoired’IngénieriedesPolymèrespourlesHautesTechnologies,EAc4379-
conventionCNRS
EcoleEuropéennedeChimie,PolymèresetMatériaux,25rueBecquerel,67087Strasbourg,France
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Remerciements
Par ces quelques lignes, je tiens à remercier les membres du jury - Francisco "Paco" Chinesta,
Amine Ammar, Malcolm Mackley, Yves Rémond et Rudy Valette - d’avoir évalué mon travail. Ce
fûtunréelhonneurd’êtrejugépardesgensdecettequalitéetmontitrededocteurn’enestqueplus
significatif. Je remercie tout particulièrement Paco et Rudy pour les nombreux échanges que l’on a
euetpourtoutel’aidequ’ilsm’ontapporté.
JeremercielarégionAlsace-chèreàmoncoeur-d’avoirfinancémestravaux.
Je remercie mon directeur de thèse - René Muller - pour m’avoir donné l’opportunité de faire
cettethèseetm’avoirpermisdedéfendremestravauxlorsdecongrèsinternationaux.Jeremercieles
membresdemonlaboratoired’accueil-leLiPHTdirigéparLucAverous-pourleurbonnehumeur
et leur sympathie. Mention spéciale à Inès, à Badi et à Catherine qui, par leur présence, leur aide et
leurefficacitéontassurélebondéroulementdemontravail.
Jeremerciemonlaboratoirede"coeur"-l’IMFS-quim’aaccueillitoutescesannéesetnotam-
mentl’équipedeJanDusek.MerciàBoss-YannickHoarau-dem’avoirmotivéàcoupsdecàa(on
seralesseulsàsavoircequecelaveutdireetc’esttantmieux!).J’aipassédesmomentsexception-
nelsavecMirek,Vitettouslesautres(Emilie,Marcin,Hassan,Dhiraj,Tanvir...).Jenommeraistout
particulièrementmonp’titaboulique-Tibo-qui,parsesbabélismes,m’asouventdonnéenviedelui
faire la glossolalie. Malgré le fait que je me suis souvent senti en ergastule, son côté zélateur de la
scienceetdesonutilitém’asouventrendualacrite(ouijesais,j’enaimis6!).Mercipourtoutmec!
Merci aux techniciens Abdel et Jo de leur présence et de leur bonne humeur au quotidien. Merci à
ClaudeVeitpourm’avoirconstruitlamanip.Destechniciensdecettequalitésontrares!
Merciégalement,etsurtout,àGilles(Bouchet).Mercidem’avoirépauléetsoutenufaceàtoutes
les difficultés rencontrées. Je mesure le chemin parcouru depuis un certain stage de master et je me
disquec’estpasmalquandmême!Cettevictoireestunpeulatienneetsanstoi,cettethèsen’aurait
certainementpascettequalité.
Jen’auraispasétécapabled’effectuercetravailsanslesoutientdemescousins/cousinesetamis
les plus proches qui étaient là pour moi tout ce temps. Certains d’entre vous, qui se reconnaîtront,
sontmêmedevenuplusquecela.Merciàvous.
Merci à belle maman pour tout. Son aide au quotidien, indispensable, a permis de mener à bien
ceprojet!
Merciàmesparentsetàmasoeurquionttoujoursétélàpourmoi.Unefamillecommelamienne
donne une force incroyable et permet de réaliser de grandes choses, aussi petites soient-elles (oui,
oui,c’estfaitexprès!).Sanseux,riendetoutcelan’auraitétépossibleetcommejenepourraisleur
rendreuncentièmedecequ’ilsm’ontapporté,jeleurdédiecetravailetcetitre.Jesuisdocteurgrâce
à-etpour-vous.Merci.
3
Enfin,jeremercielaseulepersonnequisaitvraimentceparquoijesuispassépendantcesquatre
ans,cellequim’asupportétoutcetemps(!),cellequim’adonnélaplusbelledesenfants.Sanselle
rien n’aurait été possible et mon avenir lui sera dédié. A elle ainsi qu’à mon bébé. Cha et Clélia, je
vousaime.
4
Table des matières
I Introduction 9
1 Objectifdelathèse 11
1.1 Organisationdumanuscrit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2 Lemélangedepolymèresàl’étatfondu 13
2.1 Typesd’écoulements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2 Mécanismesdemélange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.1 Mélangedistributif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Caractérisationnumériquedumélangedistributif . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.2 Mélangedispersif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Caractérisationnumériquedeladispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.3 Caractérisationexpérimentaledesmécanismesdistributifsetdispersifs . . . 28
2.2.4 Phénomènedelacoalescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3 Principed’unmélange(ur)efficace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.4 Outilsdemélange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.4.1 Mélangeursstatiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.4.2 Mélangeursdynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Mélangeursprésentantunefortecontributionducisaillement . . . . . . . . . 34
Mélangeursprésentantunefortecontributionélongationnelle . . . . . . . . . 36
3 Ecoulementsconvergents/divergents 41
3.1 Etudesexpérimentalesdesécoulements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2 Etudenumériquedesécoulements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2.1 Loisdecomportementdetypenewtoniengénéralisé . . . . . . . . . . . . . 48
3.2.2 Loisdecomportementdifférentielles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.2.3 Loisdecomportementdetypeintégral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2.4 Conclusionsurlesloisdecomportement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.3 Particulesfluidesdansunecontraction/expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
II Conceptetpremiersrésultats 55
4 Morphologicalstudyinanovelcompounder 57
4.1 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5
6 TABLEDESMATIÈRES
4.2 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.3 Descriptionofthecompounder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.3.1 Feedingofthecomponents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.3.2 Mixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.3.3 Outletofthemixedmaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.4 Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.4.1 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.4.2 Preparationoftheblends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
RMX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Rheomix600batchmixer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.4.3 Morphologicalcharacterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.5 Numericalsimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.6 Resultsanddiscussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.6.1 InfluenceofN (RMX) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.6.2 Influenceofthegeometryofthemixingelement(RMX) . . . . . . . . . . . 67
4.6.3 ComparisonofthemorphologiesoftheblendsobtainedwiththeRMXwith
theLDMEandwiththeHaakeRheomixinternalbatchmixer. . . . . . . . . 69
4.6.4 InfluenceofQandp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5 Outilsutilisés 73
5.1 Outilsexpérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.1.1 Miseenplaceexpérimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.1.2 Fluidesutilisés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.2 Outilsnumériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2.1 Géométriesetdiscrétisationdudomainefluide . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2.2 Modèlesnumériquesutilisés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Caractérisationdesécoulements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Modèlequasi-newtonien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.3 Méthodesnumériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.3.1 Termetemporel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.3.2 Termeconvectif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Schémasspatiaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.3.3 Termediffusif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.3.4 Termesource . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.4 Quantificationnumériquedesmélangesdistributifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.4.1 Longueurd’étirement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.4.2 ExposantsdeLyapunov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.5 Etudedelamicrostructure:méthodedutenseurd’aire . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.5.1 Descriptiondelamorphologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.5.2 Equationd’évolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.5.3 Introductiond’effetsphysiquessupplémentaires . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.5.4 Etudemicrostructuraled’écoulementssimples . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.5.5 Evolutiondelamicrostructuredansuncanal . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
TABLEDESMATIÈRES 7
III Résultats 97
6 Ecoulementsnewtoniens 99
6.1 Etudemacrostructuraledesécoulements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.1.1 Visualisationexpérimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.1.2 Simulationnumérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.1.3 Quantificationdel’irréversibilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Longueurd’étirementmoyennée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
ExposantsdeLyapunov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.1.4 Cartographiedesécoulements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.2 Etudemicrostructuraledesécoulements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.2.1 Déformationsubiesurtroiscyclesdemélange . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.2.2 Influencedel’angledelazoneconvergente/divergente . . . . . . . . . . . . 115
Etudedeladéformationsubieparlamicrostructuresurl’axedel’écoulement 115
Capacitédedéformationselonl’angledelagéométrie . . . . . . . . . . . . 119
6.2.3 Importancedelalongueurducanal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
7 Ecoulementsrhéofluidifiants 123
7.1 Particularitésd’unécoulementrhéofluidifiant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
7.2 Etudemacrostructuraledel’écoulement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7.3 Etudemicrostructuraledel’écoulementrhéofluidifiant . . . . . . . . . . . . . . . . 128
7.3.1 Etudesurtroiscyclesdemélange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
7.3.2 Comportementdelamicrostructureselonl’angledel’écoulement(domaine
ouvert) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
8 Ecoulementsnewtoniensanisothermes 133
8.1 Etudemacrostructuraledel’écoulement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
8.2 Evolutiondelatempératureetdesrecirculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
8.3 Quantificationdel’irreversibilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
8.4 Etudemicrostructuraledel’écoulementanisotherme. . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
8.4.1 Etudesurtroiscyclesdemélange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
8.4.2 Comportementdelamicrostructureselonl’angledel’écoulement(domaine
ouvert) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
9 Ecoulementsquasi-newtoniens 145
9.1 Phénomènesparticuliersd’unécoulementquasi-newtonien . . . . . . . . . . . . . . 145
9.1.1 Créationderecirculationsdanslagéométrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
9.1.2 Créationd’unestriationdanslazonedivergente . . . . . . . . . . . . . . . . 148
9.2 Quantificationdel’irreversibilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
9.2.1 Etudemacrostructurale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
9.2.2 Etudemicrostructurale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
8 TABLEDESMATIÈRES
10 Conclusion 155
10.1 Lessourcesd’irreversibilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
10.2 Qualitédemélange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
10.2.1 Longueurd’étirement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
10.2.2 Comparaisonducomportementmacrostructural . . . . . . . . . . . . . . . . 157
10.3 Géométrieoptimale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
Première partie
Introduction
9