Déformation d'une capsule dans un canal microfluidique : expériences, caractérisation et décomposition orthogonale aux valeurs propres

Capsule deformation in a microfluidic channel : experiments, characterization and Proper Orthogonal Decomposition

• Auteur / Autrice : Benjamin Sévénié
• Direction : Anne-Virginie Salsac, Pierre Villon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Bio-ingénierie, Biomécanique, Biomatériaux : Unité de Recherche Biomécanique et Bio-ingénierie (UMR-7338)
• Date : Soutenance le 20/06/2016
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biomécanique et Bioingéniérie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomécanique

Analyse mathématique

Algorithmes

Problèmes inverses

Décomposition orthogonale aux valeurs propres

Membranes (technologie)

Déformations (mécanique)

Dynamique des fluides

Mécanique des fluides

Interaction fluide-structure

Microfluidique

Mots clés libres

Microcapsule

Analyse inverse

Caractérisation mécanique

Microcapsule

Fluid-structure interaction

Microfluidics

In­verse analysis

Mechanical characterization

Proper Orthogonal Decom­position (POD)

Algorithms

Résumé

Nous étudions la déformation d'une capsule dans un canal microftuidique expérimentalement et numériquement. L'écoulement des rnicrocapsules est d'abord étudié numériquement dans un canal droit à section carrée. L'objectif est de développer une méthode de caractérisation des propriétés mécaniques de la membrane des capsules, à partir de leur déformation dans le canal. Nous avons mis en place une méthode d’identification afin de comparer la déformation des capsules observée expérimentalement et celle prédite par un modèle numérique tridimensionnel correspondant. La précision et la robustesse de l'algorithme d'analyse inverse ont été étudiées en faisant varier légèrement la géométrie des canaux. Finalement, la méthode a été utilisée afin de déterminer les propriétés mécaniques de rnicrocapsules dont la membrane est faite d’albumine réticulée. Nous avons ensuite appliqué une méthode de décomposition orthogonale aux valeurs propres (POD) aux formes prises par les capsules lors de leur passage dans un canal droit ou bifurqué. Des données numériques ont d 'abord été utilisées afin de déterminer la dimension de la variété des formes prises par une capsule dans un canal droit. La base POD ainsi construite a été utilisée pour interpoler les formes et obtenir la déformation d'une capsule à tous les temps, et pour tout paramètre d’écoulement. Nous avons également étudié expérimentalement les microcapsules lors de leur déformation dans un canal bifurqué. Nous avons ainsi obtenu les premiers résultats qualitatifs pour cette configuration. Nous avons développé un programme de détection de contour semi-automatique afin de faciliter le traitement d’image. Enfin, nous avons appliqué la méthode POD sur ces contours 2D réalistes et ainsi démontré la faisabilité d'utiliser une base réduite POD pour décrire la déformation de capsules clans un canal bifurqué.

The motion and deformation of a liquid-filled classic microcapsule flowing in microchannels is investigated bath experimentally and numerically. The flow of capsules into a straight microfluidic channel with a square cross-section is firstly studied. The objective is to develop a method to determine the mechanical properties of the capsule membrane from its hydrodynamic deformation. A method of identification has been devised to compare the particle deformed shape measured experimentally in the microchannels to the ones predicted by a three-dimensional numerical model for the same configuration. The precision and robustness of the inverse analysis algorithm have been tested when the microfluidic channels slightly depart from pure squareness. We have finally applied the method on microcapsules with a membrane made of reticulated albumin and determined their rnechanical properties. A Proper Orthogonal Decomposition (POD) has then been applied to the shapes assumed by the capsules while flowing in either a straight or bi­ furcated channel. Using numerical data in a straight channel, we have determined the dimension of the capsule shape variety. We have then interpolated the coefficients resulting from the POD analysis to compute the capsule deformed shape at any time for any flow parameter. Capsules have finally been investigated flowing in a bifurcated microchannel. Qualitative results of the motion and deformation of capsules in such channel have been obtained. A semi-automatic contour detection program has been developed to improve the image analysis. The POD method has been applied to the experimental results, thus proving the feasibility of building a reduced-order model of the phenomenon by using a POD reduced basis.