Transport de particules non-sphériques dans des microécoulements

Transport of non-spherical particles in microchannel flows

• Auteur / Autrice : Tohme Tohme
• Direction : Lucien Baldas, Pascale Magaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 08/12/2021
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader (Toulouse ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Colin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lucien Baldas, Pascale Magaud, Maide Bucolo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Alexandre Serra, David Newport

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microfluidique

Particules (matière)

Mots clés libres

Migration inertielle

Comportement rotationnel

Microparticules

Non-sphériques

Suspensions de particules

Inertial migration

Rotational behavior

Microparticles

Non-spherical

Particle-laden flows

Résumé

Comprendre le comportement d'une particule circulant dans un microcanal est une étape nécessaire pour concevoir et optimiser des dispositifs microfluidiques efficaces pour la séparation, la concentration, le comptage, la détection, le tri ou le mélange de particules en suspension. Bien que la migration inertielle de particules sphériques ait été étudiée en profondeur au cours des deux dernières décennies, la plupart des applications ciblées impliquent des particules non sphériques dont le comportement en microécoulement est encore loin d'être complètement compris. Lorsqu'elle se déplace dans un canal, une particule possède deux mouvements, un rotationnel et un migratoire : elle se déplace dans la direction de l'écoulement, entraînée par l'écoulement du fluide, mais aussi dans la section transversale perpendiculaire à la direction de l'écoulement, en raison d'effets inertiels. De plus, les mouvements de rotation et de translation des particules sont couplés. La plupart des travaux existants sur le transport des particules dans les microcanaux découplent leurs comportements rotationnel et migratoire : la rotation des particules est principalement étudiée dans des écoulements de cisaillement simple où la migration latérale est négligée et les études sur la migration latérale se concentrent principalement sur les particules sphériques dont le comportement rotationnel est simple. Compte tenu de l'intérêt pour les applications de la focalisation inertielle, il est nécessaire de mieux comprendre les deux comportements rotationnel et migratoire de particules non sphériques. Pour atteindre cet objectif, des expériences ont été menées. La visualisation des particules en forme de cacahuète et de bonhomme de neige est réalisée par microscopie classique. Les images obtenues sont post-traitées et les positions et orientations des particules sont identifiées. Des paramètres ont été définis, extraits et analysés en fonction de diverses conditions géométriques et opératoires, afin de comprendre la migration latérale des particules, leur comportement rotationnel et la formation de trains dans des microcanaux carrés, ainsi que le lien entre ces trois phénomènes. Les principaux résultats montrent qu'à faibles valeurs du nombre de Reynolds (inférieur à 5), les particules non sphériques ne migrent pas vers le centre du canal comme le font les sphériques. À plus forte inertie du fluide, la migration latérale et l'alignement longitudinal semblent qualitativement similaires pour les particules non sphériques que pour les sphériques, avec des zones de focalisation plus larges et à une fraction de particules en trains plus faible. Enfin, il a été clairement constaté que les trois phénomènes étudiés (migration latérale, comportement rotationnel et alignement longitudinal) sont fortement couplés.

Understanding the behavior of a particle flowing in a microchannel is a necessary step to design and optimize efficient microfluidic devices for the separation, concentration, counting, detecting, sorting or mixing of particles in suspension. Although the inertial migration of spherical particles has been deeply investigated in the last two decades, most of the targeted applications involve shaped particles whose behavior in microflows is still far from being completely understood. While traveling in a channel, a particle both rotates and translates: it translates in the streamwise direction driven by the fluid flow but also in the cross-section perpendicular to the streamwise direction due to inertial effects. In addition, particles rotation and translation motions are coupled. Most of the existing works investigating the transport of particles in microchannels decouple their rotational and lateral migration behaviors: particle rotation is mainly studied in simple shear flows where lateral migration is neglected and studies on lateral migration mostly focus on spherical particles whose rotational behavior is simple. Given the interest in the applications of inertial focusing, there is a need to better understand both rotational and migratory behaviors of non-spherical particles. To address this objective, experiments have been conducted. In situ visualization of peanut and snowman shaped particles is performed by classical microscopy. Obtained images are post-processed and particles positions and orientations are identified. Parameters have been defined, extracted and analyzed in function of various geometrical and operating conditions, to understand the particles lateral migration, rotational behavior and longitudinal ordering in square microchannels, as well as the couplings between these three phenomena. The major results show that at low values of Reynolds number (less than 5), unlike spheres, the migration towards the channel centerline is not observed. At higher fluid inertia, the lateral migration and the longitudinal ordering seem to be qualitatively similar for the non-spherical case than the spherical ones, with larger focusing zones and a much lower fraction of particles in trains. Finally, it has been clearly found that the three studied phenomena (lateral migration, rotational behavior and longitudinal ordering) are strongly coupled.