Modeling Aging and Yielding of Complex Fluids: Application to an Industrial Material

Complex fluids either natural or encountered in numerous industrial processes are often composed of several phases constituting emulsions, suspensions, foams or other colloidal dispersions. Many of these complex fluids may be described in a general manner as “soft-jammed systems” which have the abil...

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Veröffentlicht in:Oil & gas science and technology 2009-09, Vol.64 (5), p.571-581
Hauptverfasser: Ragouilliaux, A., Coussot, P., Palermo, T., Herzhaft, B.
Format: Artikel
Sprache:eng
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container_title Oil & gas science and technology
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creator Ragouilliaux, A.
Coussot, P.
Palermo, T.
Herzhaft, B.
description Complex fluids either natural or encountered in numerous industrial processes are often composed of several phases constituting emulsions, suspensions, foams or other colloidal dispersions. Many of these complex fluids may be described in a general manner as “soft-jammed systems” which have the ability to undergo a solid-liquid transition when submitted to a sufficient stress. The description of this transition from a solid state to a flowing situation is essential to understand for example the dynamic of flow stoppage or restart of natural processes (snow avalanches, ground sliding, etc.) or of industrial processes (self placement concrete, glues, cosmetic formulations, mud circulation, flow assurance, etc.). In this study, we have interest in the link between the microstructure of a complex fluid and its macroscopic rheological behavior, especially regarding the solid liquid transition characteristic of these systems. By coupling conventional rheometry giving macroscopic properties, and IRM velocimetry giving access to local properties, we can identify the structural origin of the major rheological properties as the yield stress, the aging at rest and the viscosity bifurcation in the liquid regime. We show that the progressive stoppage of the material, induced by the growing of aggregates under a critical stress explains some peculiar characteristics of the flow curves. We show then how the transient and stationary behavior of the fluid may be described by a unique thixotropic model involving a structural time and shear dependant parameter. A practical application of this model is proposed, showing how the parameters of the model may be deduced from simple experiments, and how the model may be used to predict restart conditions after rest for a fluid flowing in a pipe. This work allows to propose elements of microscopic modeling of the thixotropy of these systems in relation with their structure, and show the applicability of this modeling work to practical situations. Les fluides complexes naturels ou rencontrés dans de nombreux procédés industriels sont souvent composés de plusieurs phases formant des émulsions, mousses ou suspensions colloïdales plus ou moins concentrées. La plupart de ces fluides peuvent être décrits de manière générale comme des "systèmes vitreux mous" présentant une transition solide-liquide lorsqu'une contrainte suffisante leur est appliquée. La description physique de cette transition est essentielle pour comprendre la dynamique
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Many of these complex fluids may be described in a general manner as “soft-jammed systems” which have the ability to undergo a solid-liquid transition when submitted to a sufficient stress. The description of this transition from a solid state to a flowing situation is essential to understand for example the dynamic of flow stoppage or restart of natural processes (snow avalanches, ground sliding, etc.) or of industrial processes (self placement concrete, glues, cosmetic formulations, mud circulation, flow assurance, etc.). In this study, we have interest in the link between the microstructure of a complex fluid and its macroscopic rheological behavior, especially regarding the solid liquid transition characteristic of these systems. By coupling conventional rheometry giving macroscopic properties, and IRM velocimetry giving access to local properties, we can identify the structural origin of the major rheological properties as the yield stress, the aging at rest and the viscosity bifurcation in the liquid regime. We show that the progressive stoppage of the material, induced by the growing of aggregates under a critical stress explains some peculiar characteristics of the flow curves. We show then how the transient and stationary behavior of the fluid may be described by a unique thixotropic model involving a structural time and shear dependant parameter. A practical application of this model is proposed, showing how the parameters of the model may be deduced from simple experiments, and how the model may be used to predict restart conditions after rest for a fluid flowing in a pipe. This work allows to propose elements of microscopic modeling of the thixotropy of these systems in relation with their structure, and show the applicability of this modeling work to practical situations. Les fluides complexes naturels ou rencontrés dans de nombreux procédés industriels sont souvent composés de plusieurs phases formant des émulsions, mousses ou suspensions colloïdales plus ou moins concentrées. La plupart de ces fluides peuvent être décrits de manière générale comme des "systèmes vitreux mous" présentant une transition solide-liquide lorsqu'une contrainte suffisante leur est appliquée. La description physique de cette transition est essentielle pour comprendre la dynamique de l'arrêt dans des processus naturels (avalanches de neige, glissements de terrain, etc.) ou des procédés sous faibles sollicitations mécaniques impliquant certains matériaux industriels comme les bétons auto-plaçant, les colles, les crèmes cosmétiques et certains fluides pétroliers. Nous nous intéressons ici au lien entre la microstructure d'un fluide complexe, et son comportement rhéologique macroscopique, particulièrement lors de la transition solide-liquide caractéristique de ces systèmes. En couplant la rhéométrie conventionnelle qui nous donne les propriétés macroscopiques du matériau, et la vélocimétrie IRM pour avoir accès aux propriétés locales, nous pouvons identifier les origines structurelles des principales propriétés rhéologiques telles que le seuil de contrainte, le vieillissement au repos et la bifurcation de viscosité en régime liquide. En particulier nous montrons que l'arrêt progressif de l'écoulement induit par la croissance d'agrégats sous une contrainte critique explique certaines particularités des courbes d'écoulement. Nous montrons par la suite comment le comportement transitoire et stationnaire du fluide peut être décrit par un modèle simple de thixotropie faisant intervenir un paramètre structurel dépendant du temps et du cisaillement. Une application pratique de ce modèle est proposée, montrant comment les paramètres du modèle peuvent être déduits d'expérimentations simples,et comment le modèle peut être utilisé pour prédire les conditions de redémarrage d'un fluide à l'arrêt dans une conduite. Ce travail permet de proposer des éléments de modélisation microscopique du comportement thixotrope de ces fluides complexes en relation avec leur structure, et montre l'application pratique de cette démarche de modélisation.</description><identifier>ISSN: 1294-4475</identifier><identifier>EISSN: 1953-8189</identifier><identifier>DOI: 10.2516/ogst/2009055</identifier><language>eng</language><publisher>EDP Sciences</publisher><subject>Physics</subject><ispartof>Oil &amp; gas science and technology, 2009-09, Vol.64 (5), p.571-581</ispartof><rights>Distributed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License</rights><lds50>peer_reviewed</lds50><oa>free_for_read</oa><woscitedreferencessubscribed>false</woscitedreferencessubscribed><citedby>FETCH-LOGICAL-c275t-2882a0f0c6b67c26def932846718fe200b1ee0ddd5fad5e7e2ce4a473b1ed7ee3</citedby><cites>FETCH-LOGICAL-c275t-2882a0f0c6b67c26def932846718fe200b1ee0ddd5fad5e7e2ce4a473b1ed7ee3</cites></display><links><openurl>$$Topenurl_article</openurl><openurlfulltext>$$Topenurlfull_article</openurlfulltext><thumbnail>$$Tsyndetics_thumb_exl</thumbnail><link.rule.ids>230,314,776,780,860,881,27901,27902</link.rule.ids><backlink>$$Uhttps://ifp.hal.science/hal-02001564$$DView record in HAL$$Hfree_for_read</backlink></links><search><creatorcontrib>Ragouilliaux, A.</creatorcontrib><creatorcontrib>Coussot, P.</creatorcontrib><creatorcontrib>Palermo, T.</creatorcontrib><creatorcontrib>Herzhaft, B.</creatorcontrib><title>Modeling Aging and Yielding of Complex Fluids: Application to an Industrial Material</title><title>Oil &amp; gas science and technology</title><description>Complex fluids either natural or encountered in numerous industrial processes are often composed of several phases constituting emulsions, suspensions, foams or other colloidal dispersions. Many of these complex fluids may be described in a general manner as “soft-jammed systems” which have the ability to undergo a solid-liquid transition when submitted to a sufficient stress. The description of this transition from a solid state to a flowing situation is essential to understand for example the dynamic of flow stoppage or restart of natural processes (snow avalanches, ground sliding, etc.) or of industrial processes (self placement concrete, glues, cosmetic formulations, mud circulation, flow assurance, etc.). In this study, we have interest in the link between the microstructure of a complex fluid and its macroscopic rheological behavior, especially regarding the solid liquid transition characteristic of these systems. 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This work allows to propose elements of microscopic modeling of the thixotropy of these systems in relation with their structure, and show the applicability of this modeling work to practical situations. Les fluides complexes naturels ou rencontrés dans de nombreux procédés industriels sont souvent composés de plusieurs phases formant des émulsions, mousses ou suspensions colloïdales plus ou moins concentrées. La plupart de ces fluides peuvent être décrits de manière générale comme des "systèmes vitreux mous" présentant une transition solide-liquide lorsqu'une contrainte suffisante leur est appliquée. La description physique de cette transition est essentielle pour comprendre la dynamique de l'arrêt dans des processus naturels (avalanches de neige, glissements de terrain, etc.) ou des procédés sous faibles sollicitations mécaniques impliquant certains matériaux industriels comme les bétons auto-plaçant, les colles, les crèmes cosmétiques et certains fluides pétroliers. Nous nous intéressons ici au lien entre la microstructure d'un fluide complexe, et son comportement rhéologique macroscopique, particulièrement lors de la transition solide-liquide caractéristique de ces systèmes. En couplant la rhéométrie conventionnelle qui nous donne les propriétés macroscopiques du matériau, et la vélocimétrie IRM pour avoir accès aux propriétés locales, nous pouvons identifier les origines structurelles des principales propriétés rhéologiques telles que le seuil de contrainte, le vieillissement au repos et la bifurcation de viscosité en régime liquide. En particulier nous montrons que l'arrêt progressif de l'écoulement induit par la croissance d'agrégats sous une contrainte critique explique certaines particularités des courbes d'écoulement. Nous montrons par la suite comment le comportement transitoire et stationnaire du fluide peut être décrit par un modèle simple de thixotropie faisant intervenir un paramètre structurel dépendant du temps et du cisaillement. Une application pratique de ce modèle est proposée, montrant comment les paramètres du modèle peuvent être déduits d'expérimentations simples,et comment le modèle peut être utilisé pour prédire les conditions de redémarrage d'un fluide à l'arrêt dans une conduite. 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Many of these complex fluids may be described in a general manner as “soft-jammed systems” which have the ability to undergo a solid-liquid transition when submitted to a sufficient stress. The description of this transition from a solid state to a flowing situation is essential to understand for example the dynamic of flow stoppage or restart of natural processes (snow avalanches, ground sliding, etc.) or of industrial processes (self placement concrete, glues, cosmetic formulations, mud circulation, flow assurance, etc.). In this study, we have interest in the link between the microstructure of a complex fluid and its macroscopic rheological behavior, especially regarding the solid liquid transition characteristic of these systems. By coupling conventional rheometry giving macroscopic properties, and IRM velocimetry giving access to local properties, we can identify the structural origin of the major rheological properties as the yield stress, the aging at rest and the viscosity bifurcation in the liquid regime. We show that the progressive stoppage of the material, induced by the growing of aggregates under a critical stress explains some peculiar characteristics of the flow curves. We show then how the transient and stationary behavior of the fluid may be described by a unique thixotropic model involving a structural time and shear dependant parameter. A practical application of this model is proposed, showing how the parameters of the model may be deduced from simple experiments, and how the model may be used to predict restart conditions after rest for a fluid flowing in a pipe. This work allows to propose elements of microscopic modeling of the thixotropy of these systems in relation with their structure, and show the applicability of this modeling work to practical situations. Les fluides complexes naturels ou rencontrés dans de nombreux procédés industriels sont souvent composés de plusieurs phases formant des émulsions, mousses ou suspensions colloïdales plus ou moins concentrées. La plupart de ces fluides peuvent être décrits de manière générale comme des "systèmes vitreux mous" présentant une transition solide-liquide lorsqu'une contrainte suffisante leur est appliquée. La description physique de cette transition est essentielle pour comprendre la dynamique de l'arrêt dans des processus naturels (avalanches de neige, glissements de terrain, etc.) ou des procédés sous faibles sollicitations mécaniques impliquant certains matériaux industriels comme les bétons auto-plaçant, les colles, les crèmes cosmétiques et certains fluides pétroliers. Nous nous intéressons ici au lien entre la microstructure d'un fluide complexe, et son comportement rhéologique macroscopique, particulièrement lors de la transition solide-liquide caractéristique de ces systèmes. En couplant la rhéométrie conventionnelle qui nous donne les propriétés macroscopiques du matériau, et la vélocimétrie IRM pour avoir accès aux propriétés locales, nous pouvons identifier les origines structurelles des principales propriétés rhéologiques telles que le seuil de contrainte, le vieillissement au repos et la bifurcation de viscosité en régime liquide. En particulier nous montrons que l'arrêt progressif de l'écoulement induit par la croissance d'agrégats sous une contrainte critique explique certaines particularités des courbes d'écoulement. Nous montrons par la suite comment le comportement transitoire et stationnaire du fluide peut être décrit par un modèle simple de thixotropie faisant intervenir un paramètre structurel dépendant du temps et du cisaillement. Une application pratique de ce modèle est proposée, montrant comment les paramètres du modèle peuvent être déduits d'expérimentations simples,et comment le modèle peut être utilisé pour prédire les conditions de redémarrage d'un fluide à l'arrêt dans une conduite. Ce travail permet de proposer des éléments de modélisation microscopique du comportement thixotrope de ces fluides complexes en relation avec leur structure, et montre l'application pratique de cette démarche de modélisation.</abstract><pub>EDP Sciences</pub><doi>10.2516/ogst/2009055</doi><tpages>11</tpages><oa>free_for_read</oa></addata></record>
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