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Doctorat (H/F). Etude numérique de l'influence de la nature des forces de contact sur l'écoulement de suspensions non-browniennes concentrées

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Informations générales

Référence : UMR7010-FRAPET-001
Lieu de travail : NICE
Date de publication : lundi 14 janvier 2019
Nom du responsable scientifique : François Peters
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 septembre 2019
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 1 768,55 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Contexte global
Depuis une dizaine d'années, des expériences et des simulations numériques ont mis en évidence l'importance des forces de contacts entre particules dans l'écoulement de suspensions non-browniennes. Ces contacts, longtemps réputés inexistants à cause des interactions hydrodynamiques de lubrification, sont permis par la présence d'aspérités sur la surface des particules [1], et ce même dans le cas de suspensions modèles de particules sphériques pour lesquelles ces aspérités présentent une hauteur typique de quelques millièmes du rayon particulaire. En particulier, les simulations numériques ont montré l'influence considérable des forces de frottement entre particules sur les propriétés d'écoulement [2-3]. Ainsi, pour des suspensions concentrées de fraction volumique solide , un coefficient de frottement modéré induit une multiplication de la viscosité par 3 et de la deuxième différence de contraintes normales par 6. En outre, les modèles actuels permettant de décrire la migration des particules sous l'action du cisaillement prêtent aux forces de contact un rôle central dans ce transport diffusif des particules en l'absence de mouvement brownien. Il apparaît donc que la connaissance et la maîtrise de ces forces de contact sont un enjeu de premier ordre dans la compréhension de cette physique, aussi bien d'un point de vue fondamental que dans le cadre de problématiques plus appliquées. Compte tenu de la faiblesse des connaissances à ce sujet, l'étude de ces forces de contacts interparticulaires et de leur influence sur les propriétés d'écoulement des suspensions constitue donc un sujet de recherche émergent.

Objectifs de la thèse
La thèse proposée s'inscrit dans la volonté de lier quantitativement les propriétés rhéologiques macroscopiques (contraintes de cisaillement, contraintes normales, transport des particules) aux interactions à l'échelle microscopique. Cette problématique ancienne a bénéficié d'avancées récentes, en partie grâce au travail sur le contact et le frottement dans les suspensions cisaillées de l'équipe RSC [1-4]. L'approche numérique choisie, appelée simulation numérique directe (DNS) consiste à simuler la suspension à l'échelle des particules : l'écoulement du fluide sur un domaine échantillonné est calculé en présence des particules, le couplage avec la dynamique des particules étant réalisé via les forces hydrodynamiques. Les forces hydrodynamiques qui sont dues aux écoulements entre les particules voisines à des échelles inférieures à la taille des mailles (forces de lubrification), ne peuvent être prises en compte et sont injectées à partir d'expressions théoriques. Finalement, la simulation globale prend en compte les interactions hydrodynamiques à longue portée et de lubrification, ainsi qu'évidemment les interactions non-hydrodynamiques. L'équipe a mis au point un code de ce type utilisant la méthode dite « force coupling method » [3], ce qui lui a permis de caractériser l'influence du frottement entre particules.
Après s'être familiarisé(e) avec le code existant et la théorie hydrodynamique sous-jacente (écoulements à petit nombre de Reynolds) le/la doctorant(e) s'intéressera à l'influence des lois de contact pertinentes, en priorité celles déterminées expérimentalement par AFM, sur les propriétés macroscopiques calculées. Il s'agira non seulement des contraintes moyennes décrivant les échanges de quantité de mouvement, mais aussi spécifiquement des contraintes dues aux forces de contact, et des coefficients de diffusion présentant un intérêt pour les lois macroscopiques de transport des particules (migration sous cisaillement). Par ailleurs, un deuxième code pourra est envisagé, fondé sur la méthode des éléments discrets (DEM). Dans le cadre de cette méthode, l'écoulement du fluide n'est pas calculé. Seule la dynamiques des particules sous l'action des forces hydrodynamiques de lubrification, calculées théoriquement par paire de particules, et des forces non-hydrodynamiques est considérée. Cette méthode, beaucoup plus légère et rapide, permet de simuler des systèmes de plus grande taille, au prix de l'omission des interactions hydrodynamiques à longue portée. Un tel code pourra se baser sur l'environnement libre LAMMPS.

Contexte de travail

La thèse sera rattachée à l'école doctorale Sciences Fondamentales et Appliquées de l'Université Côte d'Azur. Le travail du/de la doctorant(e) s'effectuera sous la supervision de François Peters et en étroite collaboration avec Laurent Lobry à l'Institut de Physique de Nice (Parc Valrose, Nice). Le/la doctorant(e) aura un solide bagage en physique, mécanique, physique statistique, et un goût pour la modélisation et le calcul numérique, mais aussi le souci de situer son travail par rapport aux développements expérimentaux, notamment ceux réalisés dans l'équipe (Elisabeth Lemaire, Frédéric Blanc). En effet, l'un des intérêts majeurs du travail proposé réside dans les interactions entre activités numériques et expérimentales au sein de l'équipe RSC. Le/la doctorant(e) pourra, s'il/elle le souhaite, participer aux expériences de rhéologie.

Enfin, l'équipe RSC dispose d'un financement pour accueillir un/une candidat(e) potentiellement intéressé(e) par ce sujet et qui souhaiterait auparavant réaliser un stage de M2.

Informations complémentaires

Niveau universitaire requis : le(la) candidat(e) sera titulaire d'un diplôme de master de physique ou de mécanique des fluides

Documents à fournir :
Un C.V. détaillé
Relevé de notes des résultats universitaires depuis le baccalauréat ou assimilé.
Lettre de motivation.

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