Numerical simulation of frictional suspensions. Application to solid propellants
Simulation numérique de suspensions frictionnelles. Application aux propergols solides
Résumé
This work is devoted to three-dimensional numerical simulations of monodisperse non-inertial non-colloidal concentrated suspensions. To this end, a numerical method based on a fictitious domain technique is developed. It includes a detailed lubrication model as well as a contact model allowing for particle roughness and friction. One major result is the strong effect of friction on rheology, especially on shear viscosity and normal stresses. It also alters markedly normal viscosity or particle diffusion. Friction acts mostly through an increase in the contact stress since the hydrodynamic stress remains unaffected. This contact stress occurs to be the prevailing stress in dense suspensions. Overall, frictional results are in much better agreement with available experiments. The role of confinement is investigated as well and walls are shown to induce a strong local hexagonal ordering with a significant wall slip. This wall-induced ordering has a notable effect on rheology, especially on the first normal stress difference N1 that can be locally positive. Finally, we have studied the percolation of particle clusters across the suspension. The critical volume fraction is found to be in the range 0.3~0.4, with a significant dependence on roughness, friction, and domain size. Percolating clusters characteristics can globally be described by an isotropic percolation theory, with discrepancies regarding some critical exponents however. The role of percolating clusters on rheology is found to be very limited.
Ce travail se consacre à la simulation numérique tridimensionnelle de suspensions denses, monodispersés, non-inertielles et non-colloïdales. Nous avons pour ce faire développé une méthode numérique basée sur une approche de type domaine fictif. Le modèle inclut également une modélisation détaillée des forces de lubrification ainsi que des forces de contact avec prise en compte des rugosités et du frottement. Un résultat majeur est le rôle important du frottement entre particules sur la rhéologie de la suspension – en particulier sur la viscosité de cisaillement et les contraintes normales – mais aussi sur la viscosité normale ou la diffusion des particules. Le frottement contribue à augmenter fortement la contrainte de contact alors que la contrainte hydrodynamique n’est quasiment pas affectée. Cette contrainte de contact s’avère être la contrainte majoritaire dans les suspensions denses. La prise en compte du frottement dans les simulations permet de se rapprocher notablement des résultats expérimentaux. Le rôle du confinement est également étudié et les parois s’avèrent conduire à une organisation locale marquée de type hexagonal ainsi qu’à un glissement. Cette organisation entraîne des effets sensibles sur les propriétés rhéologiques surtout pour la première différence de contraintes normales N1 qui peut localement devenir positive. Enfin, nous abordons l’impact d’amas percolants de particules dans la suspension. La fraction volumique de percolation se situe entre 0,3 et 0,4 avec un effet marqué de la rugosité, du frottement et de la taille du domaine.
Origine : Version validée par le jury (STAR)