FR3135607A1 - Reservoir brush for thickening viscoelastic fluids - Google Patents
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Abstract
L’invention est relative à un dispositif de virole (c) pour pinceau contenant un réservoir, virole disposée à contenir des médiums de types fluides viscoélastiques rhéoépaississants, se caractérisant en ce qu’elle est constituée en son sein de : - un clapet (d) actionné par la gravité qui agit en obturant l’ouverture (e) constituée entre le réservoir (a’) et la touffe de poils (b), - une grille (f) située immédiatement sous le clapet dans la virole, qui dispose d’un nombre de trous (g) pour le passage du médium, ces trous limitant les écoulements des médiums trop fluidifiants. Figure pour l’abrégé [Fig. 2]The invention relates to a ferrule device (c) for a brush containing a reservoir, ferrule arranged to contain mediums of rheo-thickening viscoelastic fluid types, characterized in that it is made up within it of: - a valve (d ) actuated by gravity which acts by closing the opening (e) formed between the reservoir (a') and the tuft of hairs (b), - a grid (f) located immediately under the valve in the ferrule, which has a number of holes (g) for the passage of the medium, these holes limiting the flow of overly fluidizing mediums. Figure for the abstract [Fig. 2]
Description
L’invention est relative à un dispositif de pinceau contenant un réservoir disposé à contenir des médiums de types fluides viscoélastiques rhéoépaississants.The invention relates to a brush device containing a reservoir arranged to contain mediums of the rheo-thickening viscoelastic fluid type.
Etat des connaissances : Nous avons recherché dans l’état des connaissances :
- quels étaient les dispositifs existants permettant de réaliser une caractérisation du comportement des fluides viscoélastiques rhéoépaississants lors de leur écoulement depuis un réservoir rigide et au travers d’une touffe de poils jusqu’au support sur lequel il doit être déposé, ceci particulièrement aux fins de permettre leur utilisation dans des pinceaux rechargeables,
- les principes scientifiques qui régissent le comportement de ce type de fluideState of knowledge: We searched in the state of knowledge:
- what were the existing devices allowing a characterization of the behavior of rheo-thickening viscoelastic fluids during their flow from a rigid reservoir and through a tuft of hairs to the support on which it must be deposited, particularly for the purposes of allow their use in rechargeable brushes,
- the scientific principles that govern the behavior of this type of fluid
Etat de la technique : L’état des connaissances actuelles peut se distinguer selon trois familles technologiques distinctes :State of the art: The state of current knowledge can be distinguished according to three distinct technological families:
a) La première famille technologique concerne les dispositifs de pinceau réservoir ; Ces dispositifs sont constitués d’un compartiment. Ces dispositifs sont contraints en ce que :
- aucun dispositif connu n’est adapté à permettre l’écoulement de fluide rhéoépaississant car ces dispositifs sont : soit utilisés uniquement pour des écoulements linéaires, soit encore dotés de dispositifs d’agitation jusque dans la touffe de poils.
Nous pouvons citer comme exemple de cette première famille technologique:
- notre propre brevet FR3052651 qui présente un pinceau doté d’un réservoir placé dans le manche, d’un mécanisme de recharge et de touffes de poils fixées sur des viroles interchangeables,
- un autre brevet FR3100114 qui présente un dispositif de pinceau pour tout secteur beaux-arts/cosmétiques et loisirs créatifs, doté d’un manche rigide recevant un réservoir, ledit pinceau étant apte à distribuer régulièrement des fluides à comportement newtonien,
- enfin le brevet FR3100115 qui divulgue un dispositif de pinceau pour tous secteurs beaux-arts/cosmétiques et loisirs créatifs, doté d’un manche rigide recevant un réservoir, ledit pinceau étant apte à distribuer à débit régulier des fluides à comportement non newtonien de type Bingham. Cependant ces dispositifs ne peuvent pas convenir pour notre objet en raison de ce que le changement de viscosité sous contrainte ne permet pas le passage des fluide rhéoépaississant.a) The first technological family concerns reservoir brush devices; These devices consist of a compartment. These devices are constrained in that:
- no known device is suitable for allowing the flow of rheo-thickening fluid because these devices are: either used only for linear flows, or even equipped with stirring devices right into the tuft of hairs.
We can cite as an example of this first technological family:
- our own patent FR3052651 which presents a brush equipped with a reservoir placed in the handle, a recharging mechanism and tufts of bristles fixed on interchangeable ferrules,
- another patent FR3100114 which presents a brush device for all fine arts/cosmetics and creative leisure sectors, equipped with a rigid handle receiving a reservoir, said brush being capable of regularly distributing fluids with Newtonian behavior,
- finally the patent FR3100115 which discloses a brush device for all fine arts/cosmetics and creative leisure sectors, equipped with a rigid handle receiving a reservoir, said brush being capable of distributing fluids with non-Newtonian behavior of the type at a regular flow Bingham. However, these devices cannot be suitable for our purpose because the change in viscosity under stress does not allow the passage of rheo-thickening fluids.
b) - La deuxième famille technologique concerne des dispositifs d’applicateurs rigides . Ces dispositifs sont utilisés pour des fluides Newtonien peu visqueux. Si l’on place des fluides rhéoépaississant dans un dispositif type « Roll-On »®, il se produit un colmatage dès lors que la partie à l’intérieur du tube est mise en mouvement ; si bien qu’une dépose continue n’est pas possible. Par ailleurs, le temps d’attente pour la reprise du mouvement est très supérieur au temps de dépose, ceci est dû à ce que l’accumulation de médium sur l’intérieur de la bille en mouvement prends plus de temps pour son retour à une viscosité initiale. Ces dispositifs sont limités quant à leur usage car les surfaces d’application doivent être convexes et ne conviennent pas pour des applications sur des formes concaves.
A ce titre nous pouvons citer comme exemple :
- le brevet WO2016005627 qui divulgue « un dispositif de type « roll-on »® pour l'application de doses exactes de formulations liquides et/ou semi-solides » dont l’objet est le dosage d’un produit ,
- ou encore le brevet FR2839426 qui présente un « dispositif applicateur de type « roll-on »® dont la caractéristique est que l’organe d'application est monté de manière à avoir une portion capable d'obturer de manière étanche ladite ouverture lorsque le dispositif est en position de stockage.b) - The second technological family concerns rigid applicator devices. These devices are used for Newtonian fluids with low viscosity. If rheo-thickening fluids are placed in a “Roll-On”® type device, clogging occurs as soon as the part inside the tube is moved; so that continuous deposition is not possible. Furthermore, the waiting time for the resumption of movement is much greater than the removal time, this is due to the fact that the accumulation of medium on the inside of the moving ball takes more time for its return to a initial viscosity. These devices are limited in their use because the application surfaces must be convex and are not suitable for applications on concave shapes.
In this respect we can cite as an example:
- patent WO2016005627 which discloses “a “roll-on”® type device for the application of exact doses of liquid and/or semi-solid formulations” whose purpose is the dosage of a product,
- or the patent FR2839426 which presents a “roll-on” type applicator device® whose characteristic is that the application member is mounted so as to have a portion capable of sealing said opening when the device is in storage position.
c) - La troisième famille technologique concerne les dispositifs d’applicateurs souples. Ces dispositifs ne conviennent pas pour résoudre notre objet car l’inconvénient est que les mousses vont s’imprégner de médium liquide qui va se « durcir » sous la contrainte de la dépose, ce qui présente l’effet inverse de ce qui est souhaité ; tandis qu’après un temps de relaxation, le médium va reprendre une viscosité moindre et s’écouler, ce qui va générer des coulures indésirées.c) - The third technological family concerns flexible applicator devices. These devices are not suitable for solving our object because the disadvantage is that the foams will be impregnated with liquid medium which will “harden” under the stress of the deposition, which has the opposite effect to what is desired; while after a relaxation time, the medium will return to a lower viscosity and flow, which will generate unwanted drips.
Nous pouvons citer comme exemple le brevet WO2007070963 qui divulgue un applicateur distributeur de liquide avec élément de valve souple.We can cite as an example the patent WO2007070963 which discloses a liquid dispensing applicator with a flexible valve element.
En conséquence de l’état des technologies connues, Il n’existe pas de dispositifs qui répondent à l’objet de notre étude, en ce qu’aucun ne répond dans sa caractérisation technologique aux effets des caractéristiques de fluides rhéoépaississants. En effet, si tous les brevets précités (FR3052651, FR3100114, FR3100115, WO2016005627, FR2839426) intègrent les caractéristiques de : pinceau réservoir dotés d’un réservoir rigide, pouvant agir sur tout type de surface, ne peuvent assurer la maitrise du débit du fluide dilatant. En conséquence ils ne peuvent satisfaire à l’emploi de fluides rhéoépaississants. Par ailleurs les dispositifs « roll-on »® (WO2016005627, FR2839426), ne sont pas plus étudiés pour des fluides rhéoépaississantsAs a result of the state of known technologies, there are no devices that meet the purpose of our study, in that none responds in its technological characterization to the effects of the characteristics of rheo-thickening fluids. Indeed, if all the aforementioned patents (FR3052651, FR3100114, FR3100115, WO2016005627, FR2839426) integrate the characteristics of: reservoir brush equipped with a rigid reservoir, which can act on any type of surface, cannot ensure control of the flow of the fluid dilating. Consequently, they cannot satisfy the use of rheo-thickening fluids. Furthermore, “roll-on”® devices (WO2016005627, FR2839426) are no longer studied for rheo-thickening fluids.
Etat de la science : Relativement à l’objet de notre invention, nous devions connaitre la caractérisation du comportement des fluides viscoélastiques rhéoépaississants :
- lors de leur écoulement depuis un réservoir rigide,
- au travers d’une touffe de poils,
- jusqu’au support sur lequel il doit être déposé,
ceci particulièrement aux fins de permettre leur utilisation dans des pinceaux rechargeables, les éléments qui interviennent sur le plan scientifique sont :State of the science: Relative to the object of our invention, we needed to know the characterization of the behavior of rheo-thickening viscoelastic fluids:
- during their flow from a rigid tank,
- through a tuft of hair,
- to the support on which it must be deposited,
this particularly for the purpose of allowing their use in rechargeable brushes, the elements which intervene on a scientific level are:
Les comportements rhéologiques des fluides viscoplastiques rhéoépaississant ne sont pas déterminés pour le changement de géométrie de l’écoulement passant du réservoir rigide à la touffe de poils. Les éléments bibliographiques étudiés qui font état de la connaissance scientifique sont donnés ci-après :
[1] Les techniques de l’ingénieur/ Réf. : AM3630 V2 Viscoélasticité non linéaire des polymères fondus Cet article est issu de : Matériaux | Plastiques et composites par Christian CARROT,
[2] Etude rhéologique du comportement rhéoépaississant d’un polymère amphiphile / THÈSE présentée le 30 Septembre 2008 pour l’obtention du Doctorat de l’Université du Maine – Le Mans Spécialité Chimie et Physico-chimie des polymères Par Ji WANG,
[3] Université des Sciences et de la Technologie d’Oran/ Thèse Pour l’obtention du titre de Docteur Es-Sciences En Génie mécanique Option : Energétique Présentée par Mohammed BOUTABAA/ Simulation numérique des Vortex de Dean dans un fluide newtonien et un fluide viscoélastique en écoulement dans des conduites courbes à sections carrée et rectangulaire,
[4] les Techniques de l’ingénieur /Réf. J3860 Mélange des milieux pâteux de rhéologie complexe. Théorie Cet article est issu de : Procédés chimie - bio - agro | Opérations unitaires. Génie de la réaction chimique par Hervé DESPLANCHES, Jean-Louis CHEVALIER,
[5] Elisabeth Guazzelli. Rhéologie des fluides complexes. École d’ingénieur. Rhéologie des fluides complexes, France. 2001,
[6] Audrey COMMON / THESE / Développement d’un procédé propre assisté par CO2supercritique pour la production de particules de polyamides : caractérisation et faisabilité,
[7] Ghania Benbelkacem-Benmouffok. Viscoélasticité et écoulements de fluides structurés. Autre. Institut /National Polytechnique de Lorraine, 2009,
[8] Davina Desplan. Caractérisation rhéologique multi-échelle des émulsions cosmétiques pour leur stabilité et leur conservation. Génie chimique. Université de Cergy Pontoise, 2018,
[9] Ecoulement très lent d’un fluide viscoplastique de Bingham autour d’un cylindre. / Dodji Léagnon Tokpavi,
[10] Bakhtiyor Khuzhayorov, Jean-Louis Auriault, Pascale Royer. Ecoulement transitoire d’un fluide viscoélastique linéaire en milieu poreux. 4èmes Journées d’Etude sur les Milieux Poreux, Jun 1999, Nancy, France.
[11] Fatma Zohra Ouerdane, Mohamed Mahfoud, Salah Benhadid. Structure d’écoulement et pertes decharge d’un fluide viscoélastique. CFM 2007 - 18ème Congrès Français de Mécanique, Aug 2007,Grenoble, France.
[12] Initiation à la rhéologie/ Sébastien PONCET Groupe MECAFLU-GTE-2A sur l’ENT/ IUT Génie Thermique et Energie/ Année 2012-2013
[13] Abdoulaye Fall. RHEOPHYSIQUE DES FLUIDES COMPLEXES : ECOULEMENT ET BLOCAGE/ DE SUSPENSIONS. Analyse de données, Statistiques et Probabilités [physics.data-an]. Université Paris-Diderot - Paris VII, 2008.The rheological behaviors of viscoplastic shear-thickening fluids are not determined for the change in flow geometry from the rigid reservoir to the hair tuft. The bibliographic elements studied which reflect scientific knowledge are given below:
[1] Engineering techniques/ Ref. : AM3630 V2 Nonlinear viscoelasticity of molten polymers This article comes from: Materials | Plastics and composites by Christian CARROT,
[2] Rheological study of the rheo-thickening behavior of an amphiphilic polymer / THESIS presented on September 30, 2008 for obtaining the Doctorate from the University of Maine – Le Mans Specialty Chemistry and Physico-chemistry of polymers By Ji WANG,
[3] University of Science and Technology of Oran/ Thesis To obtain the title of Doctor of Science in Mechanical Engineering Option: Energy Presented by Mohammed BOUTABAA/ Numerical simulation of Dean Vortices in a Newtonian fluid and a fluid viscoelastic flow in curved pipes with square and rectangular sections,
[4] Engineering Techniques /Ref. J3860 Mixture of pasty media with complex rheology. Theory This article comes from: Chemistry - bio - agro processes | Unit operations. Engineering of chemical reactions by Hervé DESPLANCHES, Jean-Louis CHEVALIER,
[5] Elisabeth Guazzelli. Rheology of complex fluids. Engineer school. Rheology of complex fluids, France. 2001,
[6] Audrey COMMON / THESIS / Development of a clean process assisted by supercritical CO2 for the production of polyamide particles: characterization and feasibility,
[7] Ghania Benbelkacem-Benmouffok. Viscoelasticity and structured fluid flows. Other. Institute/National Polytechnic of Lorraine, 2009,
[8] Davina Desplan. Multi-scale rheological characterization of cosmetic emulsions for their stability and conservation. Chemical engineering. University of Cergy Pontoise, 2018,
[9] Very slow flow of a Bingham viscoplastic fluid around a cylinder. / Dodji Léagnon Tokpavi,
[10] Bakhtiyor Khuzhayorov, Jean-Louis Auriault, Pascale Royer. Transient flow of a linear viscoelastic fluid in a porous medium. 4th Study Days on Porous Media, June 1999, Nancy, France.
[11] Fatma Zohra Ouerdane, Mohamed Mahfoud, Salah Benhadid. Flow structure and pressure losses of a viscoelastic fluid. CFM 2007 - 18th French Mechanics Congress, Aug 2007, Grenoble, France.
[12] Introduction to rheology/ Sébastien PONCET MECAFLU-GTE-2A Group on ENT/ IUT Thermal Engineering and Energy/ Year 2012-2013
[13] Abdoulaye Fall. RHEOPHYSICS OF COMPLEX FLUIDS: FLOW AND BLOCKING/SUSPENSIONS. Data Analysis, Statistics and Probability [physics.data-an]. Paris-Diderot University - Paris VII, 2008.
Relativement à nos préoccupations, il convient de rappeler les résumés suivants issus de ces ouvrages :In relation to our concerns, it is appropriate to recall the following summaries from these works:
Selon « Les techniques de l’ingénieur » Réf. : AM3630 V2 Viscoélasticité non linéaire des polymères fondus. Cet article est issu de : « Matériaux | Plastiques et composites » par Christian CARROT : « L'article donne un panorama des connaissances sur le comportement viscoélastique non linéaire des polymères fondus plus particulièrement en cisaillement et en élongation uni-axial. Les rhéomètres utilisés pour caractériser la viscoélasticité non linéaire sont présentés ainsi que les fonctions rhéologiques les plus communément utilisées et leur lien avec la structure des polymères. Des exemples d'applications au choix des matériaux pour les procédés de mise en œuvre des matières plastiques sont donnés. Enfin une introduction aux concepts, qui sont à l'origine des modèles et des équations constitutives utilisées pour la simulation numérique des écoulements des polymères fondus, est proposée. »According to “Engineering techniques” Ref. : AM3630 V2 Nonlinear viscoelasticity of molten polymers. This article comes from: « Materials | Plastics and composites” by Christian CARROT: “The article provides an overview of knowledge on the nonlinear viscoelastic behavior of molten polymers, more particularly in shearing and uniaxial elongation. Rheometers used to characterize nonlinear viscoelasticity are presented as well as the most commonly used rheological functions and their link with polymer structure. Examples of applications to the choice of materials for plastics processing processes are given. Finally an introduction to the concepts, which are at the origin of the models and constitutive equations used for the numerical simulation of molten polymer flows, is proposed. »
Une autre source de l’Université des Sciences et de la Technologie d’Oran se rapporte à une thèse pour l’obtention du titre de Docteur Es-Sciences En Génie mécanique Option : Energétique, présentée par Mohammed BOUTABAA : « Simulation numérique des Vortex de Dean dans un fluide newtonien et un fluide viscoélastique en écoulement dans des conduites courbes à sections carrée et rectangulaire « La présente étude est consacrée à la simulation numérique tridimensionnelle des écoulements secondaires de Dean, au sein de l’écoulement non établi d’un fluide newtonien et d’un fluide viscoélastique de Phan-Thien-Tanner dans une conduite courbe à 180°. La section d’écoulement varie de la forme carrée à la forme rectangulaire dont le rapport d’aspect varie de 2 à 12. La méthode des volumes finis avec un maillage décalé est utilisée pour résoudre les équations de conservation de masse, de quantité de mouvement et l’équation constitutive de PTT écrites en coordonnées orthogonales généralisées. Les simulations faites pour des nombres de Dean allant de 50 à 500, montrent que le champ dynamique et en particulier la vitesse axiale sont influencés par le nombre de Dean. L’étude met en évidence l’influence, d’une part, des effets de l’inertie et des forces centrifuges et d’autres part, les paramètres géométriques, sur la structure des vortex de Dean et les conditions d’apparition de vortex additionnels. La présente étude montre également qu’aux nombres de Dean relativement faibles, l’élasticité anticipe la formation des vortex additionnels dans l’écoulement ».Another source from the University of Science and Technology of Oran relates to a thesis for obtaining the title of Doctor of Science in Mechanical Engineering Option: Energy, presented by Mohammed BOUTABAA: “Numerical simulation of Vortexes of Dean in a Newtonian fluid and a viscoelastic fluid flowing in curved pipes with square and rectangular sections "The present study is devoted to the three-dimensional numerical simulation of the secondary flows of Dean, within the unestablished flow of a Newtonian fluid and a Phan-Thien-Tanner viscoelastic fluid in a 180° curved pipe. The flow section varies from square to rectangular shape whose aspect ratio varies from 2 to 12. The finite volume method with a shifted mesh is used to solve the equations of conservation of mass, momentum and the constitutive equation of PTT written in generalized orthogonal coordinates. Simulations carried out for Dean numbers ranging from 50 to 500 show that the dynamic field and in particular the axial speed are influenced by the Dean number. The study highlights the influence, on the one hand, of the effects of inertia and centrifugal forces and on the other hand, of geometric parameters, on the structure of Dean vortices and the conditions for the appearance of vortices. additional. The present study also shows that at relatively low Dean numbers, elasticity anticipates the formation of additional vortices in the flow.
De source collective (Bakhtiyor Khuzhayorov, Jean-Louis Auriault, Pascale Royer), et au titre « Ecoulement transitoire d’un fluide viscoélastique linéaire en milieu poreux », les quatrièmes Journées d’Etude sur les Milieux Poreux, Juin 1999, Nancy, France. « Dans le cadre de cette thèse, nous nous intéressons aux différents comportements de fluides structures (solutions aqueuses de polymères, suspensions), sous ´écoulements cisailles. Dans la première partie, nous donnons une description globale des objets constituant le matériau en utilisant une modélisation structurelle, d’une part et en effectuant des mesures de biréfringence pour qualifier l’anisotropie des objets, d’autre part. A travers la loi tentio-optique, nous montrons que le comportement des objets ne dépend que de la contrainte appliquée. En outre, nous ´étudions les conditions de mesures objectives pour mener une caractérisation rigoureuse, en comparant des mesures de fluage et d’oscillations et en utilisant une approche analytique. Ce qui va permettre de d´développer une méthode d’identification des paramètres viscoélastiques et leurs ´évolutions sous cisaillement, dans le régime linéaire et non linéaire. La deuxième partie concerne les ´écoulements bidimensionnels de ces fluides dans une géométrie de cylindres coaxiaux centres et excentrés, à grand entrefer. Le dispositif expérimental est valide par des mesures sur un fluide newtonien. L’objectif est d’´étudier le comportement local de différents fluides en utilisant la technique de la PIV. Pour cela, nous réalisons un dispositif expérimental fiable et suffisamment précis pour accéder aux champs de vitesse instantané dans tous l’entrefer. Les mesures nous permettent d’accéder `a la loi de comportement locale de chaque matériau que nous comparons avec la loi de comportement « globale » donnée par le rhéomètre dans le cas de la géométrie centrée. De plus, des simulations numériques sur Fluent, ont été effectuées pour compléter notre étude. Les résultats obtenus pour des ´écoulements laminaires, de différents fluides : newtonien, peu rhéofluidifiant, t’es rhéofluidifiant, montrent qu’il est possible de d´écrire et prédire le comportement des fluides newtoniens et faiblement rhéofluidifiants mais les modèles classiques existants dans Fluent ne sont pas capables de décrire le comportement des fluides t’es rhéofluidifiant qui présentent une très forte hétérogénéité des gradients de vitesse dans l’entrefer. »From a collective source (Bakhtiyor Khuzhayorov, Jean-Louis Auriault, Pascale Royer), and under the title “Transient flow of a linear viscoelastic fluid in a porous medium”, the fourth Study Days on Porous Media, June 1999, Nancy, France . “As part of this thesis, we are interested in the different behaviors of structural fluids (aqueous solutions of polymers, suspensions), under shear flows. In the first part, we give a global description of the objects constituting the material using structural modeling, on the one hand, and by carrying out birefringence measurements to qualify the anisotropy of the objects, on the other hand. Through the tentio-optical law, we show that the behavior of objects only depends on the applied constraint. In addition, we study objective measurement conditions to conduct a rigorous characterization, comparing creep and oscillation measurements and using an analytical approach. This will make it possible to develop a method for identifying viscoelastic parameters and their evolution under shear, in the linear and non-linear regime. The second part concerns the two-dimensional flows of these fluids in a geometry of central and eccentric coaxial cylinders, with a large air gap. The experimental setup is validated by measurements on a Newtonian fluid. The objective is to study the local behavior of different fluids using the PIV technique. For this, we are creating an experimental device that is reliable and sufficiently precise to access the instantaneous velocity fields in all the air gaps. The measurements allow us to access the local constitutive law of each material which we compare with the “global” constitutive law given by the rheometer in the case of centered geometry. In addition, numerical simulations on Fluent were carried out to complete our study. The results obtained for laminar flows, of different fluids: Newtonian, low shear thinning, shear thinning, show that it is possible to write and predict the behavior of Newtonian and low shear thinning fluids but the classic models existing in Fluent are not capable of describing the behavior of shear-thinning fluids which present a very strong heterogeneity of the speed gradients in the air gap. »
Enfin dans « Initiation à la rhéologie » Groupe MECAFLU-GTE-2A sur l’ENT/ IUT Génie Thermique et Energie - Année 2012-2013 , Sébastien PONCET indique que: « L’objet de cet article est d’étudier l’écoulement très lent d’un fluide viscoplastique de Bingham autour d’un cylindre en milieu infini. Le domaine des grands nombres d’Oldroyd est particulièrement examiné. La simulation numérique par éléments finis est utilisée avec le modèle de régularisation de Papanastasiou. Aux grands nombres d’Oldroyd, lorsque les effets de plasticité deviennent prépondérants, une couche limite viscoplastique est identifiée autour du cylindre. L’épaisseur minimale de cette couche limite est déterminée et varie en fonction du nombre d’Oldroyd selon une loi puissance. Les différentes zones rigides sont identifiées et caractérisées et le coefficient de traînée calculé en fonction du nombre d’Oldroyd. Les résultats obtenus sont comparés aux résultats théoriques existants notamment aux prédictions de la théorie de la couche limite viscoplastique et de la théorie de la plasticité. »Finally in “Initiation to rheology” MECAFLU-GTE-2A Group on the ENT/IUT Thermal Engineering and Energy - Year 2012-2013, Sébastien PONCET indicates that: “The object of this article is to study the very flow slow motion of a Bingham viscoplastic fluid around a cylinder in an infinite medium. The domain of Oldroyd's large numbers is particularly examined. Finite element numerical simulation is used with the Papanastasiou regularization model. At large Oldroyd numbers, when plasticity effects become dominant, a viscoplastic boundary layer is identified around the cylinder. The minimum thickness of this boundary layer is determined and varies as a function of the Oldroyd number according to a power law. The different rigid zones are identified and characterized and the drag coefficient calculated according to the Oldroyd number. The results obtained are compared to existing theoretical results, in particular to predictions from the theory of the viscoplastic boundary layer and the theory of plasticity. »
En Synthèse de l’état des connaissances :
Relativement à l’état de la technique, il n’existait pas (avant le démarrage de nos travaux) de dispositif qui soit à même de répondre à l’objet de notre étude. Les dispositifs existants sont contraints en ce que :
La première famille technologique des dispositifs de pinceau réservoir présente les inconvénients suivants : soit que les dispositifs utilisés ne conviennent que pour des écoulements de fluides newtonien, dans ce cas les fluides s’écoulent comme de l’eau sans variation si ce n’est la température qui est négligée dans notre étude du fait que les usages des pinceaux sont à températures ambiante.
Dans le cas des fluides de Bingham ou fluide à seuil, celui-ci se comporte comme un fluide Newtonien avec une mise en mouvement devant être réaliser pour « activer » l’écoulement. - soit que les pinceaux réservoir sont dotés d’un dispositif d’agitation jusque dans la touffe de poils ce qui permet dans le cas des fluides dépendant du temps de mise sous contrainte d’avoir un maintien de cette dernière pour réaliser l’écoulement dans la touffe. Ceci ne convient pas à l’objet de notre objet car les vibrations auraient un effet contraire à ce qui est recherché, l’agitation maintenu bloquerait l’écoulement du fluide puisque sa viscosité serait augmentée.
- La deuxième famille technologique des dispositifs d’applicateurs rigides ne conviennent pas pour la diffusion d’un fluide rhéoépaississant. Ces dispositifs sont utilisés pour des fluides Newtonien peu visqueux. Si l’on place des fluides rhéoépaississant dans un dispositif type Roll-On, il se produit un colmatage dès lors que la partie à l’intérieur du tube est mise en mouvement, si bien qu’une dépose continue n’est pas possible. Ceci est dû à ce que le fluide qui se diffuse entre les partie mobiles et fixes des billes ou des rouleaux génère un flux qui met en mouvement le volume de médium proche de l’extraction. Ceci provoque un phénomène de durcissement des molécules proches qui transmettent elles-mêmes le mouvement à d’autre. Il s’ensuit une discontinuité de la dépose et même un arrêt total selon les caractéristiques du fluide. Ces dispositifs sont limités quant à leur usage car les surface d’application doivent être convexes et ne convienne pas pour des applications sur des formes concaves. La dépose du médium est rendue aléatoire par la forme même du dispositif rigide qui limite l’accessibilité des surfaces complexes.
- La troisième famille technologique des dispositifs d’applicateur souples présente l’avantage de pouvoir déposer un médium sur des formes concaves, cependant un inconvénient existe par le fait que ces dispositifs sont en matériaux absorbant (principalement en mousse) ce qui capte le médium et le maintien dans les alvéoles de l’applicateur lorsqu’on tente de l’appliquer. Les mousses vont s’imprégner de médium liquide qui va se « durcir » sous la contrainte de la dépose, ce qui est l’effet inverse de ce qui est souhaité tandis qu’apprès un temps de relaxation, le médium va reprendre une viscosité moindre et s’écouler ce qui va générer des coulures indésirées.In summary of the state of knowledge:
Relative to the state of the art, there was no device (before the start of our work) capable of responding to the purpose of our study. Existing systems are constrained in that:
The first technological family of reservoir brush devices has the following disadvantages: either that the devices used are only suitable for Newtonian fluid flows, in this case the fluids flow like water without variation except the temperature which is neglected in our study due to the fact that the brushes are used at room temperature.
In the case of Bingham fluids or threshold fluids, this behaves like a Newtonian fluid with movement having to be carried out to “activate” the flow. - either that the reservoir brushes are equipped with a stirring device right into the tuft of bristles which allows, in the case of fluids depending on the time of stress, to maintain the latter to achieve the flow in the tuft. This does not suit the purpose of our object because the vibrations would have an effect contrary to what is sought, the agitation maintained would block the flow of the fluid since its viscosity would be increased.
- The second technological family of rigid applicator devices are not suitable for the diffusion of a rheo-thickening fluid. These devices are used for Newtonian fluids with low viscosity. If rheo-thickening fluids are placed in a Roll-On type device, clogging occurs as soon as the part inside the tube is moved, so that continuous deposit is not possible. This is due to the fact that the fluid which diffuses between the moving and fixed parts of the balls or rollers generates a flow which sets in motion the volume of medium close to the extraction. This causes a phenomenon of hardening of nearby molecules which themselves transmit the movement to others. This results in discontinuity of the deposit and even a total stop depending on the characteristics of the fluid. These devices are limited in their use because the application surfaces must be convex and are not suitable for applications on concave shapes. The deposit of the medium is made random by the very shape of the rigid device which limits the accessibility of complex surfaces.
- The third technological family of flexible applicator devices has the advantage of being able to deposit a medium on concave shapes, however a disadvantage exists in that these devices are made of absorbent materials (mainly foam) which captures the medium and maintaining it in the sockets of the applicator when trying to apply it. The foams will impregnate with liquid medium which will “harden” under the stress of removal, which is the opposite effect to what is desired while after a relaxation time, the medium will return to a lower viscosity and flow which will generate unwanted drips.
Relativement à l’état de la science, il n’est pas possible de déterminer directement un procédé et un dispositif tel que souhaité pour l’objet d’étude. En effet, les connaissances scientifiques sont contraintes en ce que :
- Les comportements rhéologiques des fluides viscoplastiques rhéoépaississant n’est pas déterminé pour le changement de géométrie de l’écoulement passant du réservoir rigide à la touffe de poils car les faisceaux de poils sont de différentes nature (synthétiques ou naturels), et différentes dimensions. On sait qu’une caractéristique de ce type de médium est qu’il se dilate lors qu’il s’écoule d’un orifice. L’état de la science n’indique pas comment est réalisé l’écoulement du fluide lorsqu’il va être en contact avec le faisceau de poils en sortie du réservoir. Les caractéristiques rhéologiques et les viscosités ne sont pas calculables pour le passage dans des touffes de poils de différentes natures.
- Les principes mécaniques de l’écoulement du fluide au travers de la touffe de poils car les mouvements du fluide influent sur la forme de la touffe par effet de dilatance.Relative to the state of science, it is not possible to directly determine a process and a device as desired for the object of study. Indeed, scientific knowledge is constrained in that:
- The rheological behavior of viscoplastic rheo-thickening fluids is not determined for the change in geometry of the flow passing from the rigid reservoir to the tuft of hairs because the bundles of hairs are of different nature (synthetic or natural), and different dimensions. We know that a characteristic of this type of medium is that it expands when it flows from an orifice. The state of science does not indicate how the flow of the fluid is achieved when it is in contact with the bundle of hairs leaving the reservoir. The rheological characteristics and viscosities cannot be calculated for passage through tufts of hair of different types.
- The mechanical principles of the flow of fluid through the tuft of hairs because the movements of the fluid influence the shape of the tuft by dilatancy effect.
Par ailleurs, il existe un antagonisme en ce que, d’une part le médium doit être dans une phase de viscosité faible pour s’écouler, d’autre part celui-ci voit sa viscosité augmenter puisqu’il est sollicité pour être déposé sur le support. La précision sur la quantité de médium déposé ne peut pas être déterminé car ce dernier continu de s’écouler après l’arrêt des sollicitations de dépose ce qui peut apporter une quantité supplémentaire et non désirée de médium sur le support. Une fois le médium déposé, lorsqu’on relève le pinceau du support, les contraintes se relâchent, ce qui a pour effet de laisser couler le volume de médium encore présent dans le faisceau de poils.Furthermore, there is an antagonism in that, on the one hand the medium must be in a phase of low viscosity to flow, on the other hand it sees its viscosity increase since it is requested to be deposited on the support. The precision on the quantity of medium deposited cannot be determined because the latter continues to flow after stopping the deposit requests, which can bring an additional and unwanted quantity of medium on the support. Once the medium has been deposited, when the brush is lifted from the support, the constraints are released, which has the effect of letting the volume of medium still present in the bundle of bristles flow.
Il est donc admis que l’état des connaissances actuelles ne permet pas de répondre à notre objet de caractériser une technologie appropriée à une pinceau doté d’un réservoir rigide pour contenir des médiums de types fluides viscoélastiques rhéoépaississants. Pour solutionner le problème posé, plusieurs verrous technologiques étaient à lever :
- Des premiers pour comprendre les principes d’écoulement de médium dilatants au travers de touffes de poils de différentes natures (naturelles, synthétiques). Nos travaux nous ont permis de savoir que le retour à l’écoulement libre se fait de manière plus rapide dans les poils synthétiques que dans les poils naturels (dans une proportion de 5 fois plus vite) quel que soit le type de médium. L’augmentation de la fréquence de sollicitation fait augmenter le ralentissement à l’écoulement pour toutes les concentrations du médium. Concernant le retour à l’écoulement libre après arrêt des sollicitations, Il n’y a pas de différence notable entre les différents types de poils, les valeurs restent dans une même proportion pour les différents médiums et quelque soient les différentes sollicitations initiales. Un dispositif de régulation de l’écoulement pouvait donc être constitué à la base du réservoir pour adapter les écoulements aux différentes viscosités.
- Des seconds pour déterminer le comportement fluide et connaitre les résultats de dépose pour des natures et des dimensions différentes de touffes constituées. Nos travaux ont pu démontrer qu’un écoulement de fluides était possible avec les faisceaux de poils synthétique. Nous avons observé que les médiums en soie de porcs étaient bloquants du fait de la texture du medium l’élargissement est amplifié par l’aspect de surface du poil qui « retiens » le médium.
- un troisième pour connaitre la précision de dépose et comment limiter l’écoulement résiduel dans le cas de l’arrêt de la sollicitation de dépose du médium sur le support .IL nous fallait connaitre les paramètres d’une limitation des effets d’écoulement après arrêt de l’application de la touffe sur le support.
Le présent dispositif apporte une réponse à ces questions.It is therefore admitted that the state of current knowledge does not allow us to meet our objective of characterizing a technology suitable for a brush equipped with a rigid reservoir to contain mediums of rheo-thickening viscoelastic fluid types. To solve the problem, several technological obstacles had to be overcome:
- First to understand the principles of flow of dilatant medium through tufts of hair of different types (natural, synthetic). Our work has allowed us to know that the return to free flow occurs more quickly in synthetic hairs than in natural hairs (in a proportion of 5 times faster) whatever the type of medium. Increasing the loading frequency increases the slowing down of the flow for all concentrations of the medium. Concerning the return to free flow after stopping the stresses, there is no notable difference between the different types of bristles, the values remain in the same proportion for the different mediums and whatever the different initial stresses. A flow regulation device could therefore be constituted at the base of the tank to adapt the flows to different viscosities.
- Seconds to determine the fluid behavior and know the deposition results for different types and dimensions of tufts formed. Our work was able to demonstrate that a flow of fluids was possible with bundles of synthetic hairs. We observed that pig bristle mediums were blocking due to the texture of the medium; the enlargement is amplified by the surface appearance of the hair which “retains” the medium.
- a third to know the precision of deposit and how to limit the residual flow in the case of stopping the request for deposit of the medium on the support. We needed to know the parameters of a limitation of the flow effects after stopping the application of the tuft on the support.
This system provides an answer to these questions.
Présentation de l’invention : L’invention est relative à un dispositif de virole (c) pour pinceau contenant un réservoir, virole disposée à contenir des médiums de types fluides viscoélastiques rhéoépaississants, placée entre un manche de pinceau (a) doté d’un corps rigide faisant office de réservoir (a’), et des faisceaux de poils (b) (dits aussi « touffe de poils »).Presentation of the invention: The invention relates to a ferrule device (c) for a brush containing a reservoir, ferrule arranged to contain mediums of rheo-thickening viscoelastic fluid types, placed between a brush handle (a) provided with a rigid body acting as a reservoir (a'), and bundles of hairs (b) (also called “tuft of hairs”).
La virole disposée à contenir des médiums de types fluides viscoélastiques rhéoépaississants se caractérise en ce qu’elle est constituée en son sein de :
- un clapet (d) actionné par la gravité qui agit en obturant l’ouverture (e) constituée entre le réservoir (a’) et la touffe de poils (b),
- une grille (f) située immédiatement sous le clapet dans la virole, qui dispose d’un nombre de trous (g) pour le passage du médium, ces trous limitant les écoulements des médium strop fluidifiants.The ferrule arranged to contain mediums of rheo-thickening viscoelastic fluid types is characterized in that it is made up within it of:
- a valve (d) actuated by gravity which acts by closing the opening (e) formed between the reservoir (a') and the tuft of hairs (b),
- a grid (f) located immediately under the valve in the shell, which has a number of holes (g) for the passage of the medium, these holes limiting the flow of fluidizing strop medium.
La virole (c) dispose d’un fonctionnement cinématique particulier, consistant en une obturation du passage du médium entre le réservoir(a’) et la touffe de poils (b) par l’intermédiaire du clapet (d) qui se déplace par gravité et obstrue ou libère le passage vers la grille (f) dans les trous de la grille (g).The ferrule (c) has a particular kinematic operation, consisting of blocking the passage of the medium between the reservoir (a') and the tuft of hairs (b) via the valve (d) which moves by gravity and obstructs or frees the passage to the grille (f) in the holes of the grille (g).
Le nombre et la dimension des trous dans la grille sont choisis selon les dimensions et les natures des touffes de poils (b), ainsi que par les comportements rhéologiques des fluides rhéoépaississants rencontrés.The number and size of the holes in the grid are chosen according to the dimensions and nature of the tufts of hair (b), as well as by the rheological behavior of the rheo-thickening fluids encountered.
Glossaire :
a) manche de pinceau
a’) corps rigide du manche de pinceau faisant office de réservoir
b) faisceaux de poils, dit aussi touffe de poils
c) virole
d) clapet
e) ouverture constituée entre l’office du réservoir et la touffe de poils
f) grille
g) trous de la grilleGlossary :
a) brush handle
a') rigid body of the brush handle acting as a reservoir
b) bundles of hair, also called tuft of hair
c) ferrule
d) flap
e) opening formed between the reservoir office and the tuft of hair
f) grid
g) grid holes
Claims (1)
- un clapet (d) actionné par la gravité qui agit en obturant l’ouverture (e) constituée entre le réservoir (a’) et une touffe de poils (b),
- une grille (f) située immédiatement sous le clapet dans la virole, qui dispose d’un nombre de trous (g) pour le passage du médium.Ferrule device (c) for a brush containing a reservoir, ferrule arranged to contain mediums of rheo-thickening viscoelastic fluid types, characterized in that it is made up within it of:
- a valve (d) actuated by gravity which acts by closing the opening (e) formed between the reservoir (a') and a tuft of hairs (b),
- a grid (f) located immediately under the valve in the shell, which has a number of holes (g) for the passage of the medium.
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