Caractérisation de la viscoélasticité non-linéaire de solutions diluées de polymères par migration transverse en microfluidique

Characterization of non-linear viscoelasticity of diluted polymers solutions by transverse migration in microfluidics

• Auteur / Autrice : Xavier Alexander Salas Barzola
• Direction : Hugues Bodiguel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, énergétique, procédés
• Date : Soutenance le 20/06/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire rhéologie et procédés (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Salima Rafaï
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Chauchat, Enric Santanach Carreras
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yohan Davit, Aurélien Bancaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrophorèse

Viscoélasticité

Rhéologie

Mots clés libres

Rhéologie

Viscoélasticité

Électrophorèse

Migration des particules

Force de lift

OpenFOAM

Rheology

Viscoelasticity

Viscoelasticity

Particle migration

Lift force

OpenFOAM

Résumé

La présente thèse a pour objectif de caractériser la force élastique dans les liquides viscoélastiques en étudiant la migration des particules dans les dispositifs microfluidiques. Contrairement aux liquides newtoniens dans lesquels les forces de lift sont négligeables à faible nombre de Reynolds, dans les liquides viscoélastiques, une force transversale agit sur les particules confinées dans l'écoulement sous pression. Elle est due au gradient de taux de cisaillement autour de la particule et dépend fortement du nombre de Weissenberg et du rapport entre la taille de la particule et la taille du canal. En tirant parti de l'énorme rapport entre la longueur et la hauteur d'une fente microfluidique, il est possible de détecter de très faibles vitesses transversales en déterminant la trajectoire de la particule. Il a été démontré que des forces normales relativement faibles pouvaient être détectées, jusqu'à un nombre de Weissenberg aussi bas que 10^-3. Dans cette plage, la rhéométrie standard n'est pas possible, et la migration des particules pourrait être utilisée comme méthode inverse pour caractériser les propriétés viscoélastiques faibles. Les travaux antérieurs sur le sujet se sont principalement concentrés sur des fluides viscoélastiques modèles, ayant une viscosité indépendante de la vitesse. Dans ce cas, la force viscoélastique est responsable de la migration des particules vers le centre du canal et est proportionnelle au nombre de Weissenberg. L'objectif de cette thèse est d'étendre les résultats précédents à des cas plus complexes, mais aussi plus courants, de liquides viscoélastiques s'amincissant sous l'effet du cisaillement.Différentes solutions de polymères présentant des effets d'amincissement par cisaillement faibles à forts ont été utilisées dans des microcanaux en verre de différentes tailles. Une technique de suivi 3D a permis de déterminer la fonction de densité de probabilité (PDF) de la position des particules dans la direction transversale. Comme dans le cas d'une viscosité indépendante de la vitesse, la migration est très sensible à la taille des particules, mais semble plus lente. Qualitativement, les formes de la PDF sont différentes, avec un pic au centre et des queues importantes. Nous avons proposé un modèle rationnel, basé sur l'hypothèse que la force de portance est donnée par le gradient de la première différence de contrainte normale N1 sur la particule. Le modèle rend bien compte des formes de PDF et permet un ajustement systématique de celles-ci. La valeur de N1 déduite des ajustements est en bon accord avec celle obtenue par différentes techniques de rhéométrie standard.Des simulations numériques ont également été réalisées à l'aide du modèle Oldroyd-B. Les résultats ont montré que la force de levage viscoélastique est également sensible au rapport entre la contrainte visqueuse et la contrainte totale. En augmentant ce rapport au-delà de 0,1, un changement de signe de la force de portance a été observé, conduisant à la migration des particules vers la paroi. Cet effet anti-focalisation inattendu a ensuite été confirmé expérimentalement. Ces résultats soulignent que la migration viscoélastique transversale est un phénomène complexe, très sensible aux détails des modèles de fluides viscoélastiques.La dernière partie de la thèse présente une étude préliminaire des applications du champ électrique dans le dispositif microfluidique pour contrôler et manipuler le soulèvement des particules en appliquant une force supplémentaire en concurrence avec le flux entraîné par la pression. Les orientations possibles de cette étude et les moyens de l'améliorer sont discutés.

This thesis aims at characterizing the elastic force in viscoelastic liquids by studying the migration of particles in microfluidic devices. Contrary to Newtonian liquids in which lift forces are negligible at low Reynolds number, in viscoelastic liquids, a transverse force acts on the particles confined in the flow under pressure. It is due to the shear rate gradient around the particle and depends strongly on the Weissenberg number and the ratio between the particle size and the channel size. Taking advantage on the huge aspect ratio between the length and the height of a microfluidic slit, it is possible to detect very small transverse velocities, by determining the particle trajectory. It was shown that rather small normal forces could be detected, down to a Weissenberg number as low as 10^-3. In this range, standard rheometry is not possible, and particle migration could be used as an inverse method to characterize weak viscoelastic properties. Previous work on the subject mainly focused on model viscoelastic fluids, having a rate-independent viscosity. In this case, the viscoelastic force is responsible for particle migration towards the channel center, and is proportional to the Weissenberg number. The objective of this thesis is to extend previous results to more complex but also rather common case of shear-thinning viscoelastic liquids.Different polymer solutions exhibiting from weak to strong shear thinning effects were used in glass microchannels of various sizes. A 3D tracking technique allowed the determination of the probability density function (PDF) of particle position in the transverse direction. Similarly to the case of rate-independent viscosity, the migration is very sensitive to the particle size, but seems to be slower. Qualitatively, the PDF shapes are different, with a peak at the center and large tails. We proposed a rational model, based on the assumption that the lift force is given by the gradient of the first normal stress difference N1 over the particle. The model accounted well for the PDF shapes, and allowed a systematic fitting of these. The value of N1 deduced from the fits are in good agreement with the one obtained by different standard rheometry techniques.Numerical simulations we also performed using the Oldroyd-B model. The results showed that the viscoelastic lift force is also sensitive to the ratio of viscous stress to total stress. By increasing this ratio beyond 0.1, a change in the sign of the lift force was observed, leading to the migration of particles towards the wall. This unexpected anti-focusing effect was then confirmed experimentally. These results highlight that transverse viscoelastic migration is a complex phenomenon, highly sensitive to the details of viscoelastic fluid models.The last part of the thesis presents a preliminary study of electric field applications in the microfluidic device to control and manipulate particle lifting by applying an extra force competing with pressure-driven flow. Possible directions for this study and ways of improvements are discussed.