Visualisation des résultats de simulation pour l'alignement et la déformation des molécules de polymère dans l'écoulement du fluide viscoélastique autour de la bulle. Dans l'écoulement de la bulle autour de la bulle, les molécules de polymère s'alignent dans la direction circonférentielle sur le contour de l'interface de la bulle. En même temps, les molécules de la partie supérieure de la bulle se déforment. Dans l'état sous-critique (à gauche), les molécules de polymère sous l'équateur de la bulle sont déjà relâchées dans leur état relâché. Dans l'état supercritique (à droite), la relaxation a lieu essentiellement sous l'équateur de la bulle. Crédit :Dieter Bothe, Matthias Niethammer - TU Darmstadt
Pourquoi les grosses bulles de gaz dans les liquides viscoélastiques (tels que les solutions de polymères et de protéines) montent-elles tellement plus vite que prévu ? Une question ouverte d'une grande pertinence pour les processus de production industrielle. Des chercheurs de TU Graz et TU Darmstadt ont maintenant trouvé une explication.
Il s'agit d'une énigme connue depuis longtemps des experts et très pertinente dans de nombreux processus de production industrielle :une discontinuité de saut dans la vitesse de montée des bulles de gaz dans les fluides dits viscoélastiques. Les fluides viscoélastiques sont des substances qui combinent les caractéristiques des substances liquides et élastiques. De nombreux shampooings capillaires en sont un exemple. Si vous retournez une bouteille de shampoing transparente presque complètement remplie, vous verrez l'air enfermé monter comme une bulle de forme inhabituelle. Dans de nombreux processus industriels, ces liquides se présentent sous forme de solutions de polymères et doivent souvent être enrichis en oxygène par gazage. "Nous savons depuis environ 60 ans que la vitesse de montée des bulles de gaz dans les liquides viscoélastiques subit un saut à un diamètre critique de bulle. La vitesse des bulles peut alors devenir soudainement jusqu'à dix fois plus rapide. Cela joue un rôle fondamental dans le contrôle gazage de ces liquides. Dans le même temps, la cause de cette augmentation soudaine de la vitesse n'était pas claire", explique Günter Brenn de l'Institut de mécanique des fluides et de transfert de chaleur de l'Université de Graz.
Avec une combinaison de simulation, d'expérience et d'analyse théorique, les équipes de Günter Brenn à TU Graz et Dieter Bothe à TU Darmstadt ont maintenant résolu le puzzle ensemble. Ils ont découvert que l'interaction des molécules de polymère avec le flux autour des bulles de gaz conduit à un comportement de vitesse étrange des bulles. Grâce à ces connaissances, l'apport d'oxygène dans ces solutions peut désormais être prédit avec plus de précision, ce qui signifie que les équipements en biotechnologie, en génie des procédés et dans l'industrie pharmaceutique, par exemple, peuvent être mieux conçus. Les chercheurs expliquent actuellement leurs découvertes dans le Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics.
Représentation schématique de deux bulles montantes dans un fluide viscoélastique, à gauche à l'état sous-critique et à droite à l'état supercritique. Crédit :Matthias Niethammer - TU Darmstadt
Représentation schématique des influences essentielles de l'écoulement du polymère sur le comportement de montée des bulles. Crédit :Dieter Bothe - TU Darmstadt
État "détendu" préféré
Les polymères sont souvent constitués d'énormes molécules qui interagissent de manière complexe avec le liquide dans lequel elles sont dissoutes. Cette interaction rend un liquide viscoélastique. Qu'est-ce qui cause le saut de vitesse que les bulles de gaz présentent dans ces liquides à partir du diamètre critique ? Günter Brenn explique les dernières découvertes :"Le flux autour de la bulle provoque l'étirement des molécules de polymère dissoutes. Les molécules n'aiment pas particulièrement cet état. Elles veulent revenir à l'état détendu et non étiré dès que possible." Si ce retour à l'état relaxé est plus rapide que le transport des molécules à l'équateur de la bulle, alors la bulle reste lente. Si, au contraire, le retour à l'état détendu prend plus de temps que le trajet jusqu'à l'équateur des bulles, alors une tension est relâchée dans le fluide qui « pousse » la bulle. Cela conduit à une auto-amplification, puisque les molécules de polymère suivantes se positionnent sous l'équateur et se détendent, déchargeant leur énergie élastique, libérant une "force propulsive".
Représentation schématique des influences essentielles de l'écoulement du polymère sur le comportement de montée des bulles. Crédit :Dieter Bothe - TU Darmstadt
Outre la grande pertinence pratique de cette découverte, en particulier pour les domaines d'application susmentionnés, il y a également des conséquences dans la recherche fondamentale. "Il s'est avéré qu'une autre propriété surprenante du champ d'écoulement de ces solutions peut être attribuée à ce mécanisme moléculaire que nous avons montré :à savoir, le soi-disant" sillage négatif "de la bulle de gaz", explique Dieter Bothe du groupe de travail Analyse de le département de mathématiques de la TU Darmstadt. Il s'agit d'une zone dans le champ d'écoulement sous la bulle où le fluide "suit" normalement la bulle à faible vitesse. Avec les liquides polymériques, c'est l'inverse :là, le mouvement du liquide est orienté dans le sens opposé au mouvement de la bulle. Ce mouvement fluide est provoqué par la même tension qui « pousse » la bulle. Cette compréhension peut conduire à des possibilités de contrôle des processus de flux.
