Hydrodynamique des fluides actifs

Hydrodynamics of active fluids

• Auteur / Autrice : Akash Ganesh
• Direction : Harold Auradou, Carine Douarche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 31/01/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Fluides, automatique et systèmes thermiques (Orsay, Essonne ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Anke Lindner
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Salima Rafaï, Tanguy Le Borgne, Anne De Wit
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Salima Rafaï, Tanguy Le Borgne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fluides miscibles

Mélange

Fluides complexes

Écoulement diphasique

Viscosité

Instabilités hydrodynamiques

Dispersion

Bactéries

Mots clés libres

Écoulement diphasique

Suspension de bactéries

Mélange

Hydrodynamique

Dispersion

Instabilité de Saffman-Taylor

Two phase flow

Bacterial suspension

Mixing

Hydrodynamics

Dispersion

Saffman-Taylor instability

Résumé

On constate souvent que les micro-organismes, tels que les bactéries motiles, sont capables de se propager dans des environnements divers et à différentes échelles. Comprendre comment les bactéries se disséminent présente un intérêt dans de nombreux domaines tels que la biologie, l'écologie, les géosciences, l'ingénierie ou encore la médecine. Leur propagation est influencée par différents phénomènes à la fois biologiques, chimiques et physiques. Parmi ces phénomènes, le couplage hydrodynamique entre leur nage et l'écoulement du fluide dans lequel elles se déplacent joue un rôle important, en particulier dans la dispersion des bactéries sur les surfaces ou dans les environnements poreux naturels comme les sols et les roches, où les cisaillements du fluide sont omniprésents. Dans cette thèse, nous étudions le couplage de l'activité et de la concentration des bactéries avec l'advection du fluide et sa conséquence sur la dispersivité macroscopique d'une suspension. Dans la première partie, nous effectuons des simulations de Langevin lorsqu'une suspension peu peuplée est soumise à un écoulement de Poiseuille et étudions le coefficient de dispersion macroscopique. Nous montrons que le couplage nage/écoulement induit une augmentation de la dispersion longitudinale macroscopique, qui croît comme U²⁺ᵏ, où U est la vitesse de l'écoulement. L'analyse des profils de concentration en bactéries, en régime permanent, nous permet d'identifier également les différents mécanismes de piégeage et d'étudier leur influence sur la valeur de κ. Dans la deuxième partie, nous réalisons des expériences de déplacement de fluides miscibles dans une cellule de Hele-Shaw avec une suspension d'Escherichia coli. Ces expériences nous permettent de comprendre le rôle de la rhéologie d'une suspension sur sa dispersion macroscopique. Nous montrons que l'activité des bactéries provoque un contraste de viscosité suffisamment élevé pour induire une instabilité de Saffman-Taylor. Nous identifions également les différents régimes de dispersion un analysant les profils de concentration le long des fronts et leur dynamique temporelle.

Microorganisms, such as motile bacteria, are often found to be able to propagate in diverse environments and across different scales. Understanding how bacteria disseminate is of interest in many fields such as biology, ecology, geosciences, engineering and medicine. Their propagation is influenced by various biological, chemical and physical phenomena. Among these phenomena, the hydrodynamic coupling between their swimming and the flow of the fluid in which they move plays an important role, in particular on the dispersion of bacteria on surfaces or in natural porous environments such as soils and rocks, where fluid shearing is omnipresent. In this thesis, we investigate the coupling of the bacteria activity and concentration with the fluid advection and its consequence on the macroscopic dispersivity of a suspension. In the first part, we perform Langevin simulations when a sparsely populated suspension is subject to a Poiseuille flow and we study the macroscopic dispersion coefficient. We show that the swim/flow coupling induces an enhancement in the macroscopic longitudinal dispersion, which scales as U²⁺ᵏ, where U is the imposed flow velocity. The analysis of bacteria concentration profiles, in the steady state, allows us to identify the different trapping mechanisms and their influence on the value of κ. In the second part, we perform miscible fluid displacement experiments in a Hele-Shaw cell with a suspension of Escherichia coli. These experiments allow us to understand the role of the rheology of a suspension on its macroscopic dispersivity. We show that bacteria activity causes a viscosity contrast high enough to induce a Saffman-Taylor instability. We also identify the different dispersion regimes by analyzing the concentration profiles along the front and their temporal dynamics.