Sedimentation of Suspensions in Shear-Thinning Fluids

Sédimentation de particules dans un fluide rhéofluidifiant

Abstract
We present an experimental study of the sedimentation of non-Brownian monodisperse suspensions in polymeric shear-thinning fluids. In such media and contrary to what is observed in Newtonian fluids, no sedimentation front appears; particle aggregation moreover leads to the formation of vertical particle-rich structures and of an inhomogeneous particle volume fraction along the cell height. Once these structure formed, a very efficient settling occurs whereas the process further slows down at long times. We show that the temporal variations of the mean volume fraction at a given height can be described using two characteristic times. We have systematically studied the evolution of these times with the polymer concentration and the particle volume fraction of the suspension. Contrary to the well known results in Newtonian fluids, the more concentrated in particles is the suspension, the more efficient is the settling within intermediate times. The time needed for a complete separation of fluids and particles can however be longer than in a Newtonian fluid owing to the slow variations of the volume fraction at long times. Finally, the formation of the vertical structures is also studied according to the different parameters.

Résumé
Cet article présente l'étude de la sédimentation de suspensions de particules monodisperses et non browniennes dans des solutions polymères rhéofluidifiantes. Contrairement à ce qui est observé en milieu newtonien, la sédimentation dans ce type de fluide n'est pas caractérisée par l'apparition d'un front de sédimentation ; l'agrégation des particules conduit de plus à la formation de structures verticales riches en particules ainsi qu'à une répartition inhomogène des particules le long de la hauteur de la cellule. Une fois ces structures formées, la suspension s'appauvrit rapidement en particules puis la sédimentation devient très lente aux temps longs. Nous montrons que les variations temporelles de la fraction volumique moyenne en particules à une hauteur donnée peut être décrite par deux temps caractéristiques. Nous avons étudié les variations de ces temps en fonction de la concentration en polymère et de la fraction volumique initiale en particules. Contrairement aux résultats bien connus en milieu newtonien, plus la suspension est concentrée en particules, plus celle-ci s'appauvrit rapidement. En raison des phénomènes très lents intervenant aux temps longs, le temps nécessaire pour séparer complètement les particules du fluide peut toutefois être supérieur à celui en milieu newtonien. Enfin, nous présentons une étude de la structuration spatiale des suspensions en fonction des différents paramètres.