Mécanique de l'écoulement dans des tubes liquides à confinement magnétique

Flow mechanics in magnetically confined liquid tubes

• Auteur / Autrice : Arvind Arun Dev
• Direction : Bernard Doudin, Thomas Hermans
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée
• Date : Soutenance le 15/07/2022
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de physique et chimie des matériaux (Strasbourg)
• Jury : Président / Présidente : Nora Dempsey
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Wiebke Drenckhan
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nora Dempsey, Jaap M. J. Den Toonder

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fluides magnétiques

Modèles mathématiques

Mécanique des fluides

Microfluidique

Mots clés libres

Interface liquide-liquide

Réduction de la traînée

Longueur de glissement

Microfluidique souple

Instabilité de Plateau-Rayleigh

Écoulements lubrifiés

Bio-mimétisme

Liquid-liquid interface

Drag reduction

Slip length

Soft microfluidics

Plateau-Rayleigh instability

Lubricated flows

Bio-mimicking

Résumé

La microfluidique joue un rôle très important dans le transport de bio-fluides, allant du diagnostic médical à la simulation d'organes biologiques. La mécanique de l'écoulement dans les microcanaux est très bien expliquée par l'équation de Navier-Stokes dans la limite de petits nombres de Reynolds. Cependant, malgré des décennies de recherche, un défi majeur reste à relever : surmonter l'importante traînée visqueuse ou perte de charge qui se produit lorsque la taille du canal d'écoulement diminue. Nous présentons une nouvelle approche en créant un canal d'écoulement liquide dans un autre liquide stable (tube liquide). Le canal liquide en écoulement est encapsulé par un liquide lubrifiant composé de ferrofluide maintenu en place par des forces magnétiques. Une réduction importante de la traînée atteignant 99% est obtenue, complétée expérimentalement par la démonstration d'une grande longueur de glissement record (à l’échelle du mm). Un profil de vitesses approchant celui d’un écoulement parfait est expliqué par un nombre de Reynolds modifié. Nous montrons que la fameuse instabilité de Plateau-Rayleigh est empêchée par la présence d’un interface liquide-liquide déformable. Dans ce contexte, nous étudions la stabilité et les déformations du tube liquide en identifiant l'échelle de longueur de la déformation, dont le contrôle peut ouvrir la voie à la réalisation de dispositifs microfluidiques ultra-souples. Les propriétés uniques du tube liquide, comme la résistance visqueuse réglable, les déformations réversibles induites par l'écoulement, le rendent approprié pour l'administration de médicaments, le transport de biomatériaux, la bio-impression et comme système modèle d’écoulement dans les artères, veines et d'autres interfaces complexes. Les nouvelles possibilités offertes par les écoulements lubrifiés stabilisés par des forces magnétiques permettent de repousser les limites actuelles de la microfluidique et ouvrent ainsi de nouvelles possibilités d’applications.

Microfluidics plays a very important role in bio-fluid transport, ranging from medical diagnostics to the simulation of biological organs. The mechanics of flow in microchannels is very well explained by the Navier-Stokes equation in the small Reynolds number limit. However, despite decades of research, a major challenge remains to overcome the significant viscous drag or pressure drop that occurs as the size of the flow channel decreases. We present a new approach by creating a liquid flow channel in another stable liquid (liquid tube). The flowing liquid channel is encapsulated by a ferrofluid lubricant held in place by magnetic forces. A significant drag reduction of up to 99% is achieved, complemented experimentally by the demonstration of a record long slip length (on a mm scale). A velocity profile approaching that of a perfect flow is explained by a modified Reynolds number. We show that the famous Plateau-Rayleigh instability is prevented by the presence of a deformable liquid-liquid interface. In this context, we study the stability and deformations of the liquid tube by identifying the length scale of the deformation, the control of which may pave the way for the realisation of ultra-flexible microfluidic devices. The unique properties of the liquid tube, such as adjustable viscous resistance, reversible flow-induced deformations, make it suitable for drug delivery, biomaterial transport, bioprinting and as a model system for flow in arteries, veins and other complex interfaces. The new possibilities offered by lubricated flows stabilized by magnetic forces push the current limits of microfluidics and thus open up new application possibilities.