The dynamics of the microstructure and the rheology in suspensions of rigid particles

Des méthodes numériques et expérimentales ont été utilisées pour identifier la relation entre les propriétés macroscopiques et la microstructure d'une suspension contenant soit des sphères soit des fibres rigides. Pour les fibres, les résultats en utilisant un modèle numérique original indiquent que les contacts sont dominants dans la prédiction de la dynamique de la microstructure. Les résultats montrent en outre que les contacts doivent être inclus dans le calcul des contraintes afin de prédire avec précision les différences de contraintes normales. Des expériences ont été effectués pour mesurer les différences de contraintes normales et ont sont en accord avec les prédictions numériques. Cela valide le modèle développé et ses résultats. Les écarts avec les travaux antérieurs dans la littérature ont été examinées. Le temps nécessaire pour atteindre l'état d'équilibre et l'influence de confinement de la géométrie expérimentale peuvent être la source de ces différences. Pour les sphères, une expérience a été construite pour étudier la dynamique de la migration de particules dans un écoulement de Poiseuille. Nous avons mesuré la fraction volumique de particules avec une grande résolution ainsi que les distribution de vitesse. Les résultats dans le régime stationnaire de migration finale ont été jugés en excellent accord avec les précédentes simulations discrètes et les expériences dans des géométries et concentrations. La dynamique a été comparée à le modèle de bilan de suspension ('Suspension Balance Model'). L'accord avec ce modèle n'est bon qu'à grande fraction volumique. Des développements supplémentaires concernant la rhéologie utilisés dans le SBM sont nécessaires.Numerical and experimental methods were used to reveal the complex relationship between the macroscopic properties and the microstructure of a suspension where either spheres or rigid fibers were considered. For fibers, results using a newly developed numerical model indicate that contacts are dominant in predicting the dynamics of the microstructure. The results show contacts must be included in calculating the stress in order to accurately predict the normal stress differences as well. Experiments measuring the normal stress differences were performed and were found to be in agreement with the numerical predictions, validating the model and its results. Discrepancies with previous work in the literature were examined. The long time required to reach steady state and the influence of confinement from the experimental geometry were found to be the source of these differences. For spheres, an experiment was built to study the dynamics of particle migration in parabolic flow. High-resolution particle volume fraction and velocity distribution measurements were made. Steady state results were found to be in excellent agreement with previous discrete element simulations and experiments at similar geometries and volume fractions. Dynamic results were compared to the suspension balance model (SBM). Excellent agreement with the SBM was exhibited only at the highest bulk particle volume fraction. Accordingly, additional development of the rheology used in the SBM is required to understand the role of the bulk volume fraction on its predictions. The results from this experiment will greatly aid this endeavor by providing the experimental data required for validation