Crossing of a liquid-liquid interface by a droplet under centrifugal effect for a micro-encapsulation process

par Hassan El Itawi

Thèse de doctorat en Dynamique des fluides

Sous la direction de Nathalie Le Sauze et de Gladys Massiera.

Le président du jury était Jacques Magnaudet.

Le jury était composé de Nathalie Le Sauze, Gladys Massiera, Nicolas Brémond, Benoît Scheid, Pierrette Guichardon.

Les rapporteurs étaient Nicolas Brémond, Benoît Scheid.

  • Titre traduit

    Traversée d'une interface liquide-liquide par une goutte sous l'effet centrifuge pour un procédé de micro-encapsulation


  • Résumé

    Les applications concernées par la micro-encapsulation ne cessent de croître et couvrent des secteurs d’activités industrielles aussi variés que l’agriculture, la pharmacie, l'industrie alimentaire ou encore la cosmétique. Ce travail s’inscrit dans le développement d’un procédé de micro-encapsulation basé sur des gouttes de taille submillimétrique traversant une interface liquide-liquide sous l’influence d’une force extérieure, ici la force centrifuge. L'objectif de ce travail est de comprendre les mécanismes hydrodynamiques et la dynamique des interfaces avant, pendant et après la traversée d'une interface liquide par une goutte, conduisant à son enrobage. Dans ce but, des approches numériques et expérimentales ont été combinées et complétées par des modèles théoriques. Une méthode numérique résout les équations de Navier-Stokes, discrétisées par une approche en volumes finis, en se basant sur les méthodes « Level-Set » et « Ghost Fluid » pour capturer la dynamique des interfaces en présence et gérer les discontinuités aux interfaces ; elle permet d’accéder au champ de vitesse autour de la goutte déformable lors de la traversée de l’interface. Un dispositif expérimental, permettant de former des gouttes aqueuses de tailles (100-1400 μm) et de forcer leur passage au travers d’une interface liquide grâce à une force centrifuge pouvant atteindre ≈ 2500g, a été conçu afin d’observer toutes les étapes du procédé grâce à une caméra rapide synchronisée avec la rotation de la cellule d'encapsulation, afin d’analyser les conditions de traversée et les différents régimes d’entraînement de fluide. La traversée ou le rebond d’une goutte à l’interface sont fonction de la compétition entre les forces interfaciales, le poids de la goutte et les forces inertielles, et relèvent de phénomènes complexes dépendant de nombreux paramètres adimensionnels. Les deux approches ont permis de définir les conditions de traversée en fonction des nombres adimensionnels pertinents ξ12ξ13 and Bo13, et de développer une loi d'échelle de la longueur maximale de la colonne se formant pendant la traversée ainsi que du volume d’enrobage de la goutte en résultant. Ce travail a permis de déterminer les conditions optimales, à l'échelle d'une inclusion unique, pour encapsuler une goutte selon ce procédé, condition préalable au développement d’un pilote industriel associé à une production en continu.


  • Résumé

    The applications concerned by microencapsulation are constantly growing and cover sectors of industrial activities as varied as agriculture, pharmacy, food industry and even cosmetics. This work is a part of the development of a microencapsulation process based on sub-millimeter-sized drops crossing a liquid-liquid (L-L) interface under the influence of an external force, in this case centrifugal force. The objective of this work is to understand the hydrodynamics and interface mechanisms before, during and after the passage of a drop through a L-L interface, and leading to its coating. For this purpose, numerical and experimental approaches have been combined and complemented by theoretical models. A numerical method solves the Navier-Stokes equations for this three-phase flow by a finite volume discretization combined with the Level-Set and ghost-fluid methods to capture the interface dynamics and to deal with the discontinuities at the interfaces; it allows to compute the velocity field around the deformable droplets during the interface crossing. An experimental device for forming aqueous drops of sizes (100-1400 μm) and forcing their passage through a L-L interface using a centrifugal force of magnitude up to ≈ 2500g was designed to observe all stages of the process by a high-speed camera synchronized with the rotation of the encapsulation cell, and to analyze the crossing conditions and the different fluid entrainment regimes. The crossing or the rebound of a droplet at the interface is a result of the competition between interfacial forces, the weight of the drop and its inertial force, and is due to complex phenomena involving non-dimensional numbers. The two approaches made it possible to define the crossing conditions as a function of the relevant non-dimensional numbers: ξ12ξ13 and Bo13, and to develop a scaling law of the maximum length of the column formed during crossing, and the resulting drop coating volume. This work has thus made it possible to determine the optimal conditions, on the scale of a single drop, to encapsulate a liquid droplet by using this process, a necessary step prior to the design of an industrial pilot operating at a continuous production rate.


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