Experimental and numerical study of the mixing of a non-Newtonian fluid

De nombreux procédés industriels impliquent le mélange de fluides non newtoniens dans des régimes d'écoulement qui ne sont ni totalement turbulents ni complètement laminaires. Le développement de ces processus nécessite une compréhension approfondie de l'hydrodynamique au sein de la cuve de mélange. Cependant, les données expérimentales sont rares et les outils numériques disponibles sont soit non validés, soit inadaptés à la simulation des écoulements de fluides non newtoniens dans les cuves de mélange. Dans ce contexte, une étude combinant caractérisation locale et étude numérique est essentielle.Ce travail porte sur l'étude des écoulements de fluides non newtoniens dans le régime de transition. L'objectif est double. D'une part, l'influence de la rhéologie non newtonienne (rhéofluidifiante) sur l'écoulement est caractérisée expérimentalement. D'autre part, la capacité des méthodes LES et RANS à prendre en compte les variations locales de la viscosité apparente est évaluée. Pour ce faire, deux configurations distinctes sont considérées : un écoulement faiblement turbulent dans une conduite et un écoulement se développant dans une cuve agitée munie de contre-pales, entraînée par un agitateur axial ou radial. Les fluides newtoniens et non newtoniens sont étudiés. La première configuration est un cas de référence. Dans la seconde configuration, plusieurs régimes d'écoulement sont explorés. Les propriétés moyennes de l'écoulement ainsi que les structures cohérentes et la turbulence sont caractérisées avec des techniques expérimentales (2D2C PIV, TOMO-PTV) et étudiées par CFD (LES, RANS). Numériquement, les fluides non newtoniens sont modélisés comme des fluides newtoniens généralisés (GN) avec le modèle de Carreau-Yasuda. Les techniques Transformation de Fourier Discrète (TFD) et Décomposition Orthogonale aux Valeurs Propres (POD) sont utilisées pour extraire les principales caractéristiques des écoulements étudiés.Les principales contributions de ce travail incluent: (i) la proposition d'une nouvelle loi de paroi prenant en compte les effets de réduction de traînée induits par la rhéologie rhéofluidifiante dans un écoulement turbulent en conduite; (ii) une caractérisation expérimentale tridimensionnelle des écoulements de fluides newtoniens et non newtoniens dans les régimes laminaire, transitionnel et turbulent dans une cuve agitée; (iii) une analyse POD 3D basée sur des données expérimentales pour étudier les structures cohérentes se développant dans la cuve agitée; (iv) la validation de la méthode LES comme outil efficace de simulation des écoulements de fluides newtoniens dans le régime de transition; (v) l'évaluation des performances de la LES pour les écoulements de fluides non newtoniens dans le régime de transition; ainsi que d'autres résultats contribuant à une meilleure compréhension de la dynamique des fluides non newtoniens.Mots-clés:Cuve agitée, fluide non newtonien, étude expérimentale, simulation numérique, structures cohérentes.