Écoulement de Maïzena : la « Nouvelle Vague »

Résultat scientifique Mécanique des fluides

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, 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.

Une suspension de Maïzena soumise à une force importante passe soudainement d’un état liquide 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 de maïs 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 entre les grains entraîne un comportement macroscopique fortement contre-intuitif : la vitesse de l’écoulement peut diminuer lorsque la force imposée augmente. Des chercheurs de l’Institut 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 de forte pluie sur un pare-brise. L’équipe a cependant montré que pour la Maïzena, elles ont une origine complètement différente. Contrairement au cas de l’eau, elles ne résultent pas de l’effet de l’inertie, 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 net de matière 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 de matériaux tels que le béton, le chocolat ou les matériaux vinyliques.

Ce projet a été financé par l’ERC PLANTMOVE, l’ANR SCIENCE-FRICTION et le LABEX MEC.

Apparition d’onde de surface lorsqu’une suspension de maïzena s’écoule sur un plan incliné.  © Darbois et al.
Apparition d’onde de surface lorsqu’une suspension de maïzena s’écoule sur un plan incliné.
© Darbois et al.

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

Contact

Bloen Metzger
Chercheur à l’Institut universitaire des systèmes thermiques industriels (IUSTI, CNRS/Aix-Marseille Université)
Communication INSIS