Micro-natation dans des environnements complexes

Micro-swimming in complex environments

• Auteur / Autrice : Céline Van Landeghem
• Direction : Christophe Prud'homme, Laetitia Giraldi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques appliquées
• Date : Soutenance le 14/10/2025
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche mathématique avancée (Strasbourg)
• Jury : Président / Présidente : Aline Lefebvre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Maitre, Stéphane Régnier, Agathe Chouippe
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Bergmann, Matteo Giacomini
• DOI : 10.70675/eb3d029ez2dfbz4995zaa91zce9dea689caf

Mots clés

Mots clés contrôlés

Natation

Modèles mathématiques

Mots clés libres

Feel++

Méthode d'éléments finis

Elasto-magnéto-nageur

Fluid-structure Interaction

Arbitrary lagrangian eulerian formulation

Feel++

Finite element method

Elasto-magneto swimmer

Fluid-structure interaction

Arbitrary Lagrangian–Eulerian framework

Résumé

L’étude de la nage à l’échelle microscopique suscite un intérêt croissant, portée par les avancées des techniques expérimentales et de la modélisation théorique. Inspirés des stratégies de locomotion des micro-organismes naturels, des micro-nageurs artificiels sont conçus pour reproduire ces mécanismes de propulsion, avec des applications prometteuses, notamment dans le domaine biomédical. Cette thèse s’inscrit dans ce contexte et a pour objectif de modéliser et de simuler le comportement de micro-nageurs évoluant à faible nombre de Reynolds, dans des environnements fluides confinés. L’interaction fluide-structure est modélisée à l’aide de la méthode des éléments finis, dans le cadre Arbitrary Lagrangian-Eulerian. Les interactions entre les micro-nageurs, qu’ils soient rigides ou déformables, et des obstacles rigides, tels que les parois du domaine fluide, sont prises en compte à l’aide de modèles de contact adaptés. Un accent particulier est mis sur le cas du magneto-nageur, un micro-nageur élastique actionné par un champ magnétique externe. Son déplacement net résulte de l’interaction entre les déformations de sa flagelle, induites par le champ magnétique externe, et le fluide environnant. De nombreuses simulations viennent illustrer la validité et l’applicabilité des approches proposées pour les nageurs rigides et déformables.

The study of swimming at the microscopic scale has attracted growing interest, driven by advances in experimental techniques and theoretical modeling. Inspired by the locomotion strategies of natural microorganisms, artificial micro-swimmers are designed to replicate these propulsion mechanisms, with promising applications, particularly in the biomedical field. This thesis fits within this context and aims to model and simulate the behavior of micro-swimmers operating at low Reynolds numbers in confined fluid environments. The fluid–structure interaction is modeled using the finite element method within the Arbitrary Lagrangian–Eulerian framework. Interactions between micro-swimmers, whether rigid or deformable, and rigid obstacles, such as the walls of the fluid domain, are handled using appropriate contact models. Special attention is given to the case of the magneto-swimmer, an elastic micro-swimmer actuated by an external magnetic field. Its net displacement results from the interaction between the deformations of its flagellum, induced by the magnetic field, and the surrounding fluid. Numerical simulations illustrate the validity and applicability of the proposed numerical approaches for both rigid and deformable swimmers.