Modélisation de la déformation de systèmes diphasiques sous contraintes induites par des ondes électromagnétiques ou acoustiques

Modelling of a two-phase systems under acoustic or optical stress

• Auteur / Autrice : Hugo Chesneau
• Direction : Hamza Chraïbi, Jean-Pierre Delville
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Soutenance le 11/09/2020
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Ondes et Matière d'Aquitaine
• Jury : Président / Présidente : Alexis Casner
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hamza Chraïbi, Jean-Pierre Delville, Alexis Casner, Chaouqi Misbah, Jean-Louis Thomas, Camille Duprat, Régis Wunenburger
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Chaouqi Misbah, Jean-Louis Thomas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes -- Propagation

Pression de radiation optique

Éléments-frontières, Méthode des

Couplage acoustique

Écoulement diphasique

Pression de radiation acoustique

Pinces optiques

Mots clés libres

Optofluidique/acoustofluidique

Méthodes des éléments de fronitères

Pression de radiation

Couplage propagation/déformation

Écoulement induit optiquement

Pince optique

Étireur optique

Optofluidic/acoustofluidic

Boundary Element Method

Radiation pressure

Propagation/deformation coupling

Optically induced flow

Optical tweezer

Optical stretcher

Résumé

Ces travaux sont consacrés à l'étude numérique de la déformation de système fluides diphasiques par des ondes acoustiques ou électromagnétiques. Dans ce but, nous avons développé et utilisé une méthode numérique basée sur la méthode des éléments de frontières afin de résoudre simultanément l'équation d'Helmholtz scalaire et l'équation de Stokes afin de considérer en même temps la propagation d’onde dans le système et l'hydrodynamique de celui-ci. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à la déformation d’interfaces initialement planes par deux types de contraintes induites par la propagation d’ondes. La première est la force de diffusion, une force volumique générée par la propagation d’une onde électromagnétique dans des fluides turbides qui permet d’induire des écoulements permanents. Ces derniers exercent alors des contraintes visqueuses sur l’interface et peuvent mener à l’instabilité de cette dernière et à la formation de microjets. Ces microjets ont été caractérisés numériquement en termes de formes et de débits. Par la suite, nous nous sommes concentrés sur les contraintes de pression de radiation acoustique et optique exercée sur l’interface. Nous avons démontré numériquement qu’il existait une certaine universalité entre les déformations induites par des ondes acoustiques ou optiques et que ces dernières se comportaient comme des guides d’ondes parfaitement adaptés à l’onde les ayant induits. Dans un second temps, nous avons porté notre attention sur la déformation d’interfaces initialement sphériques comme des gouttes ou des liposomes par des systèmes de pinces optiques ou d’étireurs optiques. Dans le cas des gouttes, nous avons retrouvé des comportements similaires à ce que nous avions obtenu sur des interfaces planes soit un couplage entre leurs déformations et la propagation des ondes à l’intérieur de celles-ci. Nous avons de plus caractérisé numériquement pour la première fois la déformation de liposomes dans un étireur optique et avons comparé ces résultats à de récentes études expérimentales menées au laboratoire. Ces premières études sont prometteuses quant à la microrhéologie de gouttes liquides ou de systèmes biologiques.

We numerically studied the deformation of two-phase fluid systems under acoustical or electromagnetic stress. We developed and used a numerical method based on the boundary element method to solve simultaneously the scalar Helmholtz equation and Stokes equation to consider at the same time the wave’s propagation and the hydrodynamic of the system. On the first hand, we considered the deformation of initially flat interfaces actuated by two kinds of waves’ induced stresses. First, we studied the scattering force, a bulk force induced by the propagation and the scattering of an incident electromagnetic waves into a turbid liquid phase. This force leads to the formation of eddies which in turn induce viscous stresses on the interface. Under high laser power, the viscous stresses can destabilize the interface into liquid microjets. We characterized numerically the shapes and the fluid flow of these microjets. Then, we focused on the acoustic and electromagnetic radiation pressure at the fluid/fluid interface. We showed that the induced deformations can be described by a universal model and these deformations act as liquid waveguides who are matching perfectly the incident wave which has induced them. On the other hand, we studied the deformation of micrometric droplets and liposomes with optical tweezers and optical stretcher. For droplets, we retrieved similar behaviour than for flat interfaces i.e., a coupling between the deformation of the droplets and the propagation of the wave into the latter. Additionally, we numerically characterize for the first time the liposome deformation in an optical stretcher and compared our result with recent experiments carried out in the laboratory. These initial studies are promising for the microrheology of liquid drops or biological systems.