Numerical modeling of foam flows

Modélisation numérique d'écoulements de mousse

Ibrahim Cheddadi (1)

1 EDP - Equations aux Dérivées Partielles

Liquid foam flows are involved in numerous applications, e.g. food and cosmetics industries, oil extraction, nuclear decontamination. Moreover, their study leads to fundamental knowledge: as it is easier to manipulate and analyse, foam is used as a model material to understand the flow of emulsions, polymers, pastes, or cell agregates, all of which display both solid and liquid behaviour. Systematic experiments performed by François Graner et al. provide precise data that emphasize the non newtonian properties of the foam. Meanwhile, Pierre Saramito proposed a visco-elasto-plastic continuous tensorial model, akin to predict the behaviour of the foam. The goal of this thesis is to understand this complex behaviour, using these two elements. We have built and validated a resolution algorithm based on a bidimensional finite elements methods. The numerical solutions are in excellent agreement with the spatial distribution of all measured quantitities, and confirm the predictive capabilities of the model. The dominant parameters have been identified and we evidenced the fact that the viscous, elastic, and plastic contributions to the flow have to be treated simultaneously in a tensorial formalism. We provide a substantial contribution to the understanding of foams and open the path to realistic simulations of complex VEP flows for industrial applications.

Les écoulements de mousse liquide sont directement impliqués dans de nombreuses applications dans des domaines aussi variés que les industries agro-alimentaire et cosmétique, l'extraction pétrolière, ou encore la décontamination nucléaire. Par ailleurs, l'étude des mousses apporte des connaissances fondamentales : plus facile à manipuler et analyser, la mousse est un fluide modèle pour comprendre des matériaux tels que les émulsions, les polymères, les pâtes, ou les agrégats de cellules, qui possèdent à la fois des propriétés liquides et solides. Les expériences systématiques réalisées par l'équipe de F. Graner ont fourni une série de données précises qui mettent l'accent sur les propriétés non newtoniennes de la mousse. Dans le même temps, P. Saramito a proposé un modèle visco-élasto-plastique (VEP) continu et tensoriel, à même de prédire le comportement de la mousse. L'objectif de cette thèse est de comprendre ce comportement complexe en s'appuyant sur ces deux éléments. Nous avons élaboré et validé un algorithme de résolution basé sur une méthode d'éléments finis bidimensionnelle. Les solutions numériques sont en excellent accord avec tous les champs mesurés (vitesse, déformation élastique, taux de déformation plastique), et nous avons confirmé le caractère prédictif du modèle. Nous avons identifié les paramètres dominants et établi la nécessité de traiter simultanément les contributions visqueuse, élastique, et plastique dans un formalisme tensoriel. Notre travail apporte une contribution substantielle à la compréhension des mousses et ouvre la voie à la simulation réaliste d'écoulements complexes de fluides VEP en vue d'applications industrielles.

Mots clés: Rheology; liquid foams; visco-elasto-plasticity; partial derivative equations; mixed finite elements

Mots clés: Rhéologie; mousses liquides; visco-élasto-plasticité; équations aux dérivées partielles; éléments finis mixtes

Domaines: Dynamique des Fluides [physics.flu-dyn]; Mathématiques [math]

Ibrahim Cheddadi. Modélisation numérique d'écoulements de mousse. Dynamique des Fluides [physics.flu-dyn]. Université Joseph-Fourier - Grenoble I; Université de Grenoble, 2010. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00497436⟩