Sollicitation hydrodynamique et propriétés interfaciales des hétérogénéités dans des liquides viscoélastiques.

Hydrodynamic solicitation and interfacial properties of heterogeneities in viscoelastic liquids.

• Auteur / Autrice : Vivaswan Chandrashekar
• Direction : Hugues Bodiguel
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : MEP - Mécanique des fluides Energétique, Procédés
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Rhéologie et Procédés

Mots clés

Mots clés libres

Rhéologie

Instabilités élastiques

Ecoulement diphasiques

Microfluidique

Interfaces

Fluides complexes

Microfluidic

Interfaces

Hydrodynamic and elastic instabilities

Complex fluids

Biphasic flows

Rheology

Résumé

Nous nous intéressons à des écoulements de liquides viscoélastiques présentant des hétérogénéités de concentration et donc des hétérogénéités de propriétés rhéologiques. Un exemple extrême de ces fluides, par lequel le projet débutera, est obtenu lorsqu'une solution de polymères semi-diluée coexiste avec son solvant. Il s'agit de phases miscibles mais dont les temps de diffusion sont très grands. L'interface entre les deux phases subsiste donc pendant un temps assez long, et ses propriétés seront étudiés via des expériences de micro fluidiques modèles traditionnellement utilisée avec des écoulements diphasiques entre fluides immiscibles : formation de gouttes, digitation et instabilités de Saffman-Taylor, instabilité de Rayleigh-Plateau, brisures de gouttes à des jonctions… etc… La question scientifique sous-jacente concerne la description mécanique des interfaces transitoires entre fluides miscibles. S'il a été proposé depuis plus d'un siècle l'existence d'une tension de surface hors équilibre et transitoire entre phases miscibles, cette question n'a pas encore été résolue et a fait l'objet d'études récentes (voir Truzzolillo, D., & Cipelletti, L. 2017). Dans le cas des liquides viscoélastique on peut s'attendre à ce que les propriétés rhéologiques, notamment l'existence de forces normales importantes lorsque le nombre de Weissenberg augmente, modifient significativement le comportement de ces pseudo-interfaces comparativement aux liquides simples. A titre d'exemple, des expériences préliminaires réalisés au laboratoire, où une goutte d'une solution de polymères s'écoule à travers un réseau d'obstacle aboutissent à des observations contre-intuitives : à bas nombre de Weissenberg, la goutte se disperse assez rapidement à cause du caractère désordonné des lignes de courant, a haut nombre de Weissenberg en revanche, cette goutte reste intacte. L'effet de la vitesse de l'écoulement est donc contraire à celui généralement observé lorsqu'on mélange deux liquides puisque les instabilités inertielles favorisent le mélange lorsqu'on augmente la vitesse. Nous chercherons lors de cette thèse à approfondir et à comprendre ces observations préliminaires en étudiant des géométries d'écoulement plus simples en microfluidique. Nous utiliserons des marqueurs fluorescents couplés à de la microscopide confocale rapide, permettant de suivre ces interfaces en 3D. Les géométries simples utilisés permettront de mener des simulations numériques de type volume finis en utilisant des logiciels existants (openfoam), et ainsi de pouvoir tester différentes possibilités de modélisation des propriétés interfaciales. Si la problématique du sujet est fondamentale, elle a également de nombreuses applications dans le domaine des écoulements en milieux poreux et dans différents procédés industriels où des fluides viscoélastiques sont utilisés, et soit présentent naturellement des hétérogénéités compositionnelles, soit mettent en jeu des interfaces, par exemple lors des opérations de nettoyage ou lors des opérations de dépollution des sols.

We are interested in flows of viscoelastic fluids with heterogeneities of concentration and therefore heterogeneities of rheological properties. An extreme example of such fluids, with which the project will start, is obtained when a semi-diluted polymer solution coexists with its solvent. These are miscible phases but with very long diffusion times. The interface between the two phases remains for a long time, and its properties will be studied via model microfluidic experiments traditionally used with two-phase flows between immiscible fluids: droplet formation, digitation and Saffman-Taylor instabilities, Rayleigh-Plateau instability, droplet breakage at junctions... etc. The underlying scientific question concerns the mechanical description of transient interfaces between miscible fluids. While it has been proposed for more than a century the existence of a non-equilibrium and transient surface tension between miscible phases, this issue has not yet been resolved and has been the subject of recent studies (see Truzzolillo, D., & Cipelletti, L. 2017). In the case of viscoelastic liquids it can be expected that rheological properties, in particular the existence of large normal forces as the Weissenberg number increases, significantly modify the behavior of these pseudo-interfaces compared to simple liquids. As an example, preliminary experiments carried out in the laboratory, where a drop of a polymer solution flows through a network of obstacles lead to counter-intuitive observations: at low Weissenberg number, the drop disperses rather quickly because of the disordered character of the flow lines, at high Weissenberg number on the other hand, this drop remains intact. The effect of the flow velocity is thus contrary to the one generally observed when mixing two liquids since the inertial instabilities favor the mixing when the velocity is increased. In this thesis, we will seek to extend and understand these preliminary observations by studying simpler flow geometries in microfluidics. We will use fluorescent markers coupled with fast confocal microscopy, allowing us to follow these interfaces in 3D. The simple geometries used will allow us to carry out numerical simulations of the finite volume type using existing software (openfoam), and thus to be able to test different possibilities of modeling the interfacial properties. If the problematic of the subject is fundamental, it also has many applications in the field of flows in porous media and in various industrial processes where viscoelastic fluids are used, and present either naturally compositional heterogeneities, or involve interfaces, for example during cleaning operations or during soil remediation operations.