Écoulement de Maïzena: la "Nouvelle Vague"

Publié par Adrien le 25/12/2020 à 13:00
Source: CNRS INSIS
Certains fluides non-newtoniens, comme la Maïzena, se solidifient quand on leur applique une force trop importante. Des chercheurs de l'Institut universitaire des systèmes thermiques industriels (IUSTI) ont étudié leur comportement lorsqu'ils s'écoulent sur un plan incliné, et ont découvert qu'au-delà de cette force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...), l'écoulement se déstabilise en ondes successives. Publiés dans Nature Communications Physics, ces travaux offrent un modèle hydrodynamique permettant d'expliquer cette instabilité, qui n'a pas d'équivalent dans les fluides classiques.


Apparition d'onde de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) lorsqu'une suspension ( Le fait de suspendre des particules En chimie, la suspension désigne une dispersion de...) de maïzena s'écoule sur un plan incliné. © Darbois et al.

Une suspension de Maïzena soumise à une force importante passe soudainement d'un état liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...) à un état quasi solide. Ce phénomène, très récemment élucidé, permet par exemple de courir sans s'y enfoncer sur une piscine qui en est remplie. Cette propriété macroscopique étonnante trouve son origine à l'échelle microscopique. Les suspensions d'amidon (L'amidon (du latin amylum, non moulu) est un glucide complexe (polyoside) composé de...) de maïs (Le maïs (aussi appelé blé d’Inde au Canada) est une plante tropicale...) sont composées de grains si petits, environ 15 microns, qu'ils interagissent via des forces répulsives courtes portées qui empêchent les grains de frotter entre eux tant que les contraintes sont faibles. Quand celles-ci deviennent plus fortes, l'apparition du frottement (Les frottements sont des interactions qui s'opposent à la persistance d'un mouvement relatif entre...) entre les grains entraîne un comportement macroscopique fortement contre-intuitif: la vitesse (On distingue :) de l'écoulement peut diminuer lorsque la force imposée augmente.

Des chercheurs de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) universitaire des systèmes thermiques industriels (IUSTI, CNRS/Aix-Marseille Université) ont étudié ce phénomène en faisant couler une suspension de Maïzena sur un plan incliné. Ils ont découvert que la suspension forme alors des ondes de surface proéminentes et très régulières.

Ces ondes peuvent sembler similaires à celles que l'on observe les jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...) de forte pluie (La pluie désigne généralement une précipitation d'eau à l'état...) sur un pare-brise (Un pare-brise est une vitre située à l'avant d'un véhicule qui permet de protéger les passagers...). L'équipe a cependant montré que pour la Maïzena, elles ont une origine complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou...) différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des...). Contrairement au cas de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...), elles ne résultent pas de l'effet de l'inertie (L'inertie d'un corps découle de la nécessité d'exercer une force sur celui-ci pour modifier sa...), mais des propriétés d'écoulement spécifiques aux suspensions de Maïzena et de leur couplage avec la surface libre. Si une bosse apparaît, la force devant elle augmente. Compte tenu de la rhéologie de la Maïzena, cela ralentit l'écoulement au lieu de l'accélérer. Il en résulte un flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) net de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) sous la bosse qui tend à l'amplifier. Le mécanisme proposé est très générique.

Ces résultats pourraient donc fournir de nouvelles bases pour comprendre d'autres instabilités d'écoulement observées dans diverses configurations, en particulier dans les processus industriels confrontés à des instabilités d'écoulement problématiques lors du transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus...) de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) tels que le béton (Le béton est un matériau de construction composite fabriqué à partir de...), le chocolat ou les matériaux vinyliques.

Ce projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a...) a été financé par l'ERC PLANTMOVE, l'ANR SCIENCE-FRICTION et le LABEX MEC.

Références:
Surface-wave instability without inertia in shear-thickening suspensions.
B. Darbois Texier, H. Lhuissier, Y. Forterre & B. Metzger.
Nature Communications Physics.
https://doi.org/10.1038/s42005-020-00500-4
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