Tabuteau, Hervé (2005) Etude physique de l'épandage de produits viscoélastiques: cas des boues de STEP. PhD thesis science de l'environnement, ENGREF.

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Abstract

La pérennisation de la valorisation agricole des boues résiduaires passe par une optimisation des techniques d'épandage. Dans le cas présent, nous nous sommes focalisés sur les phénomènes intervenant sur les disques qui constituent la table d'épandage, en tenant compte à la fois des caractéristiques rhéologiques du matériau à épandre et des réglages mécaniques du matériel.
On montre d'abord par des expériences de rhéométrie qu'aux faibles contraintes, les boues ne peuvent s'écouler de manière stable: la déformation totale du matériau résulte d'une compétition entre la restructuration pendant la phase de repos précédant le cisaillement et la déstructuration due au cisaillement. De plus, lors du cisaillement avec une surface lisse, un glissement apparaît dans la même gamme de contrainte, à partir d'une déformation critique. Il se forme une fine couche de liquide newtonien entre la surface qui induit le cisaillement et le reste du matériau dans l'entrefer. Au delà d'une contrainte critique, l'écoulement devient homogène, quelque soit la nature de la surface, lisse ou rugueuse.
A partir de travaux sur maquette, nous avons analysé la déformation d'un échantillon de fluide à seuil engendrée par l'application d'une force centrifuge d'intensité croissante, en accélérant progressivement la vitesse de rotation du disque. On montre que la dynamique de l'étalement se résume en trois phases distinctes. Aux faibles vitesses de rotation, le matériau se comporte comme un solide viscoélastique et subit de faibles déformations élongationnelles. Quand la vitesse de rotation dépasse une valeur critique, la déformation n'est plus homogène: le matériau se comporte comme un liquide en périphérie, et comme un solide au centre de l'échantillon. Seule la partie liquide s'étale en formant un bourrelet. On montre ainsi que les paramètres viscoélastiques du matériau et l'initiation de l'écoulement sont étroitement liés: plus le seuil de contrainte est élevé, plus la vitesse critique est grande. Enfin, l'étalement se localise au sein de digitations qui se forment à partir du bourrelet.
Finalement, on montre qu'au cours de l'épandage les paquets de boues arrivant sur la table d'épandage ne sont pas cisaillés sous l'action de la force centrifuge, mais ils subissent une élongation puis une fragmentation avant d'être projeté à la sortie du disque. On démontre au passage que les pâles n'ont aucune utilité sur le procédé d'émiettement.

Table of content

INTRODUCTION - 5
CHAPITRE 1: THIXOTROPIE DES BOUES - 12
1 INTRODUCTION - 12
1.1 RHEOLOGIE DES BOUES PATEUSES: RESULTATS ANTERIEURS - 12
1.2 THIXOTROPIE DES MATERIAUX PATEUX - 13
2 MATERIEL ET METHODES - 14
2.1 LE RHEOMETRE - 14
2.2 GEOMETRIE D'ETUDES - 15
2.2.1 Plans parallèles - 15
2.2.2 Cylindres coaxiaux à large entrefer - 16
2.3 PROCEDURES EXPERIMENTALES - 18
2.3.1 Reproductibilité des mesures - 18
2.3.2 Régime permanent - 19
2.3.3 Utilisation de la géométrie à cylindre coaxiaux - 19
3 COMPORTEMENT GENERAL DES BOUES PATEUSES - 19
3.1 BIFURCATION DE VISCOSITE - 19
3.1.1 Validation par l'Imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire - 21
3.2 COMPORTEMENT POUR DES CONTRAINTES INFERIEURES AU SEUIL D'ECOULEMENT C - 23
3.2.1 Dynamique lente pendant de la période de repos - 23
3.2.2 Evolution au cours du fluage - 25
3.2.3 Analogie avec le vieillissement dans les systèmes colloïdaux - 27
3.2.4 Evolution de la réponse en fonction du rapport - 28
3.2.4.1.1 Réponse mécanique lorsque   c - 29
3.2.5 Vieillissement des produits pâteux - 31
3.3 DISCUSSION - 34
3.4 LA COURBE D'ECOULEMENT - 34
4 CONCLUSION - 36
CHAPITRE 2: ETUDE DU GLISSEMENT - 38
1 GLISSEMENT LORS DU CISAILLEMENT DES FLUIDES A SEUIL - 38
2 ETUDE DU GLISSEMENT DES BOUES RESIDUAIRES PATEUSES - 41
2.1 MISE EN EVIDENCE DU GLISSEMENT - 41
2.2 PROPRIETES DU GLISSEMENT AUX FAIBLES CONTRAINTES - 44
2.2.1 Evolution du glissement avec la contrainte - 49
2.3 BIFURCATION DE VISCOSITE ET LOCALISATION DU CISAILLEMENT - 52
2.3.1 Comparaison des courbes - 54
2.3.2 Cisaillement à vitesse imposée - 56
2.4 DOMAINE DE VALIDITE DES RESULTATS: INFLUENCE DES PROTOCOLES DE MESURES - 57
2.4.1 La vitesse de précisaillement - 58
2.4.2 La période de repos - 60
2.4.2.1 Réponse mécanique pour 0    1 - 60
2.4.2.2 Réponse mécanique pour   c - 64
2.5 INFLUENCE DE LA NATURE DE LA SURFACE - 67
2.6 CONCLUSIONS - 69
CHAPITRE 3: ETALEMENT SUR LE DISQUE - 70
1 DYNAMIQUE D'ETALEMENT D'UN LIQUIDE SUR UN DISQUE EN ROTATION - 70
2 ETALEMENT DES FLUIDES A SEUIL - 72
3 MATERIELS ET METHODES - 75
3.1 DISPOSITIF EXPERIMENTAL - 75
3.2 PRISES DE VUE ET OBTENTION DES POINTS - 79
3.2.1 Prise de vue verticale - 80
3.2.2 Prise de vue horizontale - 81
4 CARACTERISTIQUES GENERALES DE L'ETALEMENT SUR LE DISQUE EN ROTATION - 82
4.1 EVOLUTION DU RAYON D'ETALEMENT FINAL AVEC LA VITESSE DE ROTATION - 82
4.2 EVOLUTION DE L'ETALEMENT AU COURS DU TEMPS - 86
4.2.1 Premier régime de vitesse:  c - 86
4.2.2 Deuxième régime de vitesse:  c - 87
4.3 INFLUENCE DE LA NATURE DE LA SURFACE - 89
4.4 ETUDE DE LA DEFORMATION LORS DE L'ETALEMENT CIRCULAIRE - 90
4.5 INFLUENCE DE L'ACCELERATION ANGULAIRE - 92
4.6 INFLUENCE DES DIMENSIONS DE L'ECHANTILLON - 94
4.7 INFLUENCE DU SEUIL DE CONTRAINTE SUR LES PROPRIETES DE L'ETALEMENT - 97
4.8 EVOLUTION DES DEPLACEMENTS A LA SURFACE DE L'ECHANTILLON - 98
4.9 DETERMINATION DU PROFIL DE L'ECHANTILLON H(R) - 100
4.10 ETUDE DU DEPLACEMENT DES TRACEURS - 102
5 ANALYSE DE L'ETALEMENT - 106
5.1 COMPORTEMENT POUR  <C - 107
5.1.1 Elongation simple - 107
5.1.2 Comparaison avec les résultats expérimentaux - 111
5.2 COMPORTEMENT POUR  = C - 114
5.2.1 Contrainte critique associée à l'étalement rapide - 115
5.2.2 Variation de la contrainte seuil avec les dimensions du cylindre - 117
5.3 EVOLUTION DE L'ETALEMENT POUR  >C - 117
5.3.1 Formation du dôme central et du bourrelet - 117
5.3.2 Etalement du bourrelet - 118
5.4 EVOLUTION DE L'ETALEMENT POUR  F - 120
5.4.1 Variation du rayon d'étalement après l'étalement circulaire - 120
5.4.2 Formation des digitations - 123
6 CONCLUSION - 124
CHAPITRE 4: APPLICATION AUX BOUES - 126
1 MATERIAUX - 126
2 ETALEMENT PENDANT LA RAMPE DE VITESSE - 126
2.1 BOUE PATEUSE MOYENNE - 127
2.1.1 Boue pâteuse plastique - 128
2.2 DISCUSSION - 129
3 COMPORTEMENT DES BOUES PATEUSES SUR LA TABLE D'EPANDAGE - 130
3.1 EVOLUTION DE L'ETALEMENT A LA SURFACE DU DISQUE - 131
3.2 INFLUENCE DE LA PALE - 132
3.2.1 Echantillon centré - 132
3.2.2 Echantillon excentré - 133
3.3 DISCUSSION - 136
4 CONCLUSION - 137
CONCLUSION ET PERSPECTIVES - 139
BIBLIOGRAPHIE - 142

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