DOI: 10.1051/jp2:1995201
J. Phys. II France 5 (1995) 1597-1608

Rheology and Structure of Concentrated Suspensions of Hard Spheres. Shear Induced Particle Migration

P.Mills¹ and P. Snabre<sup>2

1</sup>  Laboratoire de Reconnaissance des Matériaux dans leur Environnement URA343 C.N.R.S., Université de Marne La Vallée, 2 rue du promontoire. 93166 Noisy le Grand, France
²  Institut de Science et de Génie des Matériaux et Procédés UPR 8521, B.P. 5 66125 Font-Romeu, France

(Received 19 July 1995, revised 12 May 1995, accepted 27 June 1995)

Abstract
The apparent shear viscosity, in the non-Brownian limit, for a homogeneous suspension of monodispersed hard spheres in systems ranging from dilute to concentrated was previously established. From an estimation of the viscous dissipation. We use the inter-particle distance dependence of the shear viscosity for determining the components of a local stress tensor associated with the transient network of particles for the volume fraction above the percolation threshold. For this purpose, we develop a model based on lubrication forces between colliding particles for coupling the particle stress tensor to the stress tensor of the suspension considered as an effective medium. In the case of non-uniform flows with low shear rate regions, it is necessary to introduce a non-local stress tensor since the stress can be directly transmitted by the network of particles over a correlation length larger than the particle diameter. This approach shows ...

Résumé
A partir d'une estimation de la dissipation visqueuse, nous avons précedemment évalué la viscosité apparente de cisaillement des suspensions homogènes de sphères dures monodisperses et non Browniennes dans les systèmes dilués ou concentrés. Nos utilisons la dépendance de la viscosité de cisaillement avec la distance moyenne entre les particules pour déterminer les composantes d'un tenseur local de contraintes associé à l'amas transitoire de particlues au dessus de la fraction volumique critique de percolation. Nous developpons pour cela un modèle basé sur les forces de lubrification s'exerçant au cours des collisions entre les particules afin de coupler le tenseur local de contraintes associé aux particules et le tenseur des contraintes dans la suspension assimilée à un milieu effectif. Dans le cas des écoulements non uniformes présentant des zones de faible cisaillement, il est nécessaire de considérer un tenseur non local des contraintes car les forces peuvent alors se transmettre directement à travers l'amas de particules sur une longueur de corrélation supérieure au diamètre des particules. Cette approche montre que la migration des particules dans un écoulement est induite par les variations spatiales de la contrainte tangentielle. Les prévisions du modèle relatives aux profils de concentrations en particules dans un écoulement de Couette ou dans un écoulement de Poiseuille plan sont en bon accord avec les données expérimentales de la littérature.

© Les Editions de Physique 1995