Formation et destruction de mousse en écoulement dans un milieu confiné

Formation and destruction of confined flowing foam

• Auteur / Autrice : Mattéo Clerget
• Direction : Pascal Panizza, François Lequeux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 03/11/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sciences et ingénierie de la matière molle (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Dominique Langevin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Risso
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benjamin Dollet, Hugues Bodiguel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Effet Marangoni

Hystérésis

Millifluidique

Microfluidique

Écoulement en milieux poreux

Mousse (chimie)

Mots clés libres

Poreux

Mousse

Microfluidique

Instabilité hydrodynamique

Écoulement

Hystérèse

Porous

Foam

Microfluidics

Hydrodynamic instability

Flow

Hysteresis

Résumé

L'injection de mousse en milieu poreux est une technique très prometteuse pour de nombreuses applications comme le stockage de dioxyde de carbone, la dépollution des sols ou la récupération assistée du pétrole. L'écoulement de cette mousse en milieu confiné met en jeu différents processus de formation ou de destruction des bulles qui la composent. La compréhension des mécanismes physiques de ces processus est nécessaire à l’amélioration du procédé, notamment au travers de l'optimisation de la formulation de la phase liquide.Notre approche consiste à découpler ces différents phénomènes, grâce à des dispositifs modèles d’écoulement à deux dimensions, à l’échelle de la micro- ou milli-fluidique. Leur transparence nous permet de visualiser la structure de la mousse en écoulement et de faire le lien avec ses propriétés macroscopiques. Différents tensioactifs et additifs sont systématiquement testés afin d’étudier la capacité de nos dispositifs à les discriminer, et les résultats obtenus sont systématiquement comparés aux résultats obtenus en milieu poreux.Notre première expérience, qui étudie la formation de bulles lors du passage du co-écoulement gaz/liquide dans un pore microfluidique, met en évidence un phénomène d’hystérèse de formation expliqué par un processus de rétroaction hydrodynamique amorcé par l'écoulement en aval. Nous mettons également en évidence grâce à des simulations numériques l'existence d'une limite à la qualité de la mousse pouvant être formée, liée uniquement à la géométrie du pore. Différents tensioactifs sont étudiés, et ces résultats sont comparés à des mesures à la fois en volume et en milieu poreux à trois dimensions.Notre seconde expérience étudie l’influence de l’ajout d’un additif sur cette formation, notamment au travers des effets Marangoni que celui-ci génère. Un modèle théorique simple est développé pour prendre en compte ces effets.Nous décrivons enfin un montage de millifluidique permettant d’observer et d’étudier la destruction de mousse par coalescence de bulles. Nous montrons que les résultats diffèrent drastiquement en fonction des tensioactifs et additifs utilisés.

Foam injection into porous media is a highly promising technique for a wide range of applications, including carbon dioxide storage, soil remediation, and enhanced oil recovery. The flow of this foam in a confined environment brings into play different processes of formation or destruction of the bubbles of which it is composed. Understanding the physical mechanisms of these processes is essential to improve this technique, in particular by optimizing the formulation of the liquid phase.Our approach is to decouple these different phenomena, using two-dimensional flow model devices, at the micro- or milli-fluidic scale. Their transparency allows us to visualize the structure of the flowing foam and to relate it to its macroscopic properties. Various surfactants and additives are systematically tested to investigate the ability of our devices to screen them, and the results obtained are systematically compared with those obtained in porous media.Our first experiment, which studies the formation of bubbles during the passage of a gas/liquid co-flow in a microfluidic pore, highlights a formation hysteresis phenomenon explained by a hydrodynamic feedback process initiated by the downstream flow. Using numerical simulations, we also demonstrate the existence of a limit to the quality of foam that can be formed, linked solely to the pore geometry. Different surfactants are investigated, and these results are compared with measurements both in volume and in three-dimensional porous media.Our second experiment studies the influence of an additive on this formation, in particular through the Marangoni effects it generates. A simple theoretical model is developed to account for these effects.Finally, we describe a millifluidic setup for observing and studying foam destruction by bubble coalescence. We show that the results vary drastically depending on the surfactants and additives used.