A model of evolution kinetics of bubble population in a yield stress fluid

Un modèle de cinétique d'évolution de populations de bulles dans un fluide à seuil

Rudy Valette (1) , Antoine Marchal (1) , Bruno Vergnes (1) , Arnaud Poulesquen (2)

1 CEMEF - Centre de Mise en Forme des Matériaux
2 L2ED - Laboratoire d'Etudes de l'Enrobage des Déchets

The context of this study is to predict the swelling of bitumen drums in which radioactive salts are mixed (60 wt % of bitumen and 40 wt% of salts). Radioactivity generates uniform volume production of hydrogen by radiolysis of bitumen chains. The creation of gas occurs on very large time scales (more than a hundred years), hence the need to provide model in order to predict the swelling. It has been shown that bitumen is a yield stress fluid. Therefore this work proposes to study the influence of a continuous gas generation and a yield stress on the kinetic evolution of a bubble population. Usually, when a gas is dissolved beyond its solubility limit without yield stress or gas creation, one observes a nucleation-growth-ripening scenario (growth of large bubbles to the detriment of small ones). It selects a distribution of large bubbles over long times, independently of the initial distribution of nuclei. Our work shows that in some cases the gas creation competes with the ripening kinetics and the yield stress can make the bubble population bimodal during its evolution.

Le contexte de cette étude est de décrire les processus physico-chimiques élémentaires de base conduisant au gonflement d’enrobés de bitume (suspensions de sels dans une matrice bitume) dans lequel sont conditionnés des sels de coprécipitation de radionucléides. La radioactivité génère une production volumique uniforme de dihydrogène par radiolyse des chaînes de bitume. Ce taux de création de gaz perdure sur des échelles de temps très grandes (plus de cent ans), bien que décroissant au cours du temps. L’étude scientifique vise à conforter les modèles actuels de prédiction du gonflement sous radiolyse des enrobés bitume. Il a été montré que les enrobés de bitume sont des fluides à seuil. Ces travaux proposent donc d'aborder l'influence d’une génération continue de gaz (appelée terme source dans la suite de cet article) et d’un seuil d’écoulement sur la cinétique d'évolution d'une population de bulles. Classiquement, pour un gaz dissous au delà de sa limite de solubilité et en l’absence de seuil et de terme source, on observe un scénario de germination-croissance-mûrissement (croissance des grosses bulles au détriment des petites) qui sélectionne aux temps longs une distribution de grosses bulles, indépendante de la distribution initiale de germes. Nos travaux montrent qu’il existe des régimes où le terme source entre en compétition avec la cinétique de mûrissement et où le seuil d’écoulement peut étaler ou rendre bidisperse la distribution de taille de bulles au cours de son évolution.

Domaines: Matériaux

Rudy Valette, Antoine Marchal, Bruno Vergnes, Arnaud Poulesquen. Un modèle de cinétique d'évolution de populations de bulles dans un fluide à seuil. Rhéologie, 2014, 26, pp.9 - 13. ⟨hal-01108915⟩