Dynamique d'une goutte 2D dans une cellule de Hele-Shaw

Dynamics of a 2D droplet in Hele-Shaw cell

• Auteur / Autrice : Benjamin Reichert
• Direction : Marie-Caroline Jullien
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 12/12/2017
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Gulliver (Paris) - Gulliver
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Jury : Président / Présidente : Élise Lorenceau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Caroline Jullien, Denis Bartolo, Stéphane Popinet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benoît Scheid, Jean-Christophe Baret

Mots clés

Mots clés libres

Goutte

Cellule de Hele-Shaw

Film de lubrification

Interface

Droplet

Hele-Shaw cell

Lubrication film

Interface

Résumé

La microfluidique à goutte a connu un essor remarquable ces dix dernières années. Pourtant, la dynamique de ces objets reste largement inexplorée et incomprise. En effet, une question aussi fondamentale que de prédire la vitesse d'une goutte poussée par une phase porteuse à vitesse imposée, est restée jusqu’à ce jour, sans réponse. Comprendre la dynamique d'une goutte suppose de caractériser les dissipations visqueuses (friction) au sein de la goutte et dans le film de lubrification. Ces dissipations visqueuses sont étroitement liées à la forme et aux propriétés physico-chimiques de l'interface séparant l'intérieur de la goutte de la phase externe. Ce manuscrit présente une caractérisation de la dynamique d’une goutte 2D en cellule de Hele-Shaw en exploitant la double mesure du film de lubrification par microscopie interférentielle et de la vitesse de la goutte. Dans un premier temps, nous étudions expérimentalement la forme adoptée par l'interface en fonction de la viscosité de la goutte et de la concentration en tensioactifs. La comparaison des topographies expérimentales mesurées avec des modèles théoriques déjà existants et un nouveau développé dans ce manuscrit, révèle que l'utilisation d'une approche purement hydrodynamique (sans effet Marangoni) pour déterminer la topographie théorique n'est en mesure de reproduire la topographie expérimentale que lorsque le système ne présente pas de tensioactif ou bien lorsque la viscosité de la goutte est suffisamment importante pour prendre le pas sur d'éventuels effets Marangoni à l'interface. Dans les autres cas, la forment de l'interface évolue en fonction de la contrainte de Marangoni qui peut s'exercer localement ou globalement à l'interface. Dans un deuxième temps, l’établissement d’un modèle théorique pour la vitesse de la goutte, basé sur la modélisation des topographies de films expérimentales mesurées, permet de retrouver quantitativement, et sans paramètre d'ajustement, les vitesses de goutte mesurées expérimentalement.

Droplet microfluidics is a growing field of research. However, the dynamics of these objects remain misunderstood. Indeed, a question as fundamental as predicting the droplet velocity while pushed by an external fluid at a given velocity is still not answered. Understanding the dynamics of a droplet requires to characterize the viscous dissipation mechanisms (friction) within the droplet and in the lubrication film. This dissipation is related to the shape and to the physicochemical properties of the interface separating the inner phase of the droplet from the outer phase. This thesis presents a characterization of the dynamics of 2D droplets in a Hele-Shaw cell, by taking advantage of the double measurement of the lubrication film by interference microscopy and of the droplet velocity. Firstly, we study experimentally the influence of the droplet viscosity and surfactant concentration on the shape of the interface. The comparison between the topographies measured experimentally with the theoretical models already existing and the new one developed in this thesis, reveals that the use of a purely hydrodynamical approach in order to derive the theoretical topography only allows to recover the experimental topography if the system is surfactant free or if the droplet viscosity is high enough to overcome the Marangoni effect at the interface. In the other cases, the shape of the interface depends on the Marangoni stress exerted either locally or globally at the interface of the droplet. In a second part, the derivation of a theoretical model for the droplet velocity, based on the modeling of the lubrication film topographies measured experimentally, allows to recover quantitatively, and without any fitting parameter, the experimental data on droplet velocities.