Bibliography: leaves 169-178 / iv, 201 leaves : ill ; 30 cm. / Title page, contents and abstract only. The complete thesis in print form is available from the University Library. / Thesis (Ph.D.)--University of Adelaide, 1989

Les mini ou nanoémulsions sont des systèmes fréquemment rencontrés dans différents domaines : cosmétique, pharmaceutique, biomédical… Plusieurs procédés permettent la préparation de nanoémulsions. Cependant, ils présentent tous des limitations en termes de taille des gouttelettes, d’énergie de mélange, de rapport de viscosité entre les phases dispersées et continues, de gamme de pression à appliquer… Ce travail s’intéresse au développement d’un nouveau dispositif basé sur un écoulement élongationnel pour l’élaboration de miniémulsions de monomères. La démarche a consisté d’abord à étudier l’influence des paramètres liés au procédé proprement dit puis à la formulation du système sur la taille des gouttelettes. Cette étude a permis de comprendre les mécanismes mis en jeu lors de la fragmentation des gouttes. Une analyse dimensionnelle a ensuite été développée afin de corréler les tailles obtenues aux paramètres étudiés, par l’utilisation des nombres adimensionnels appropriés. Finalement, des expériences de synthèse en miniémulsion ont été conduites pour tenter de combiner dans le même dispositif les fonctions d’émulsificateur et de réacteur de polymérisation, dans une perspective d’intensification du procédé. / Mini or nanoemulsions are widely used in different fields like cosmetic, pharmaceutic and biomedical… Different processes allow the preparation of nanoemulsions. However, they all present limitations in terms of droplet size, mixing energy, viscosity ratios, pressure ranges… This work focused on the development of a new process based on elongational flow for theelaboration of miniemulsions. The approach consisted in studying the influence of the process and formulation parameters on droplet sizes. This study allowed us to better understand the mechanisms of drop breakup. Then, a dimensional analysis was carried out in order to correlate the obtained droplet sizes to the studied parameters by the use of the appropriate dimensionless numbers. Finally, miniemulsion synthesis experiments were performed in order to try to combine, in the samedevice, both emulsification and polymerization, in the prospect of process intensification.

La microfluidique est une branche récente de la science et de la technologie. Ces quinze dernières années, son développement et son succès ont été principalement dus au concept de labo sur puce (lab-on-a-chip). Ces dispositifs miniaturisés, qu'intègrent plusieurs fonctions de laboratoire, ont été d'un grand intérêt dans différents domaines comme la Physique, la Chimique et la Bio-ingénierie. Lorsque un fluide est confiné dans une structure micro ounanométrique, son comportement est fortement influencé par les interactions avec les surfaces qui l'entourent. Dans ce contexte, la problématique du glissement du fluide sur le solide a été largement étudiée soit théoriquement, soit expérimentalement. Des nouvelles technologies, destinées à augmenter le glissement se sont déjà avérées être une méthode très efficace pour la réduction du frottement fluide/solide. Dans ce contexte, les surfaces superhydrophobes ont sucité l'intérêt de la communauté scientifique et technologique grâce au grand glissement à la paroi qui caractérise ces surfaces. Même si le comportement de ces surfaces a été largement étudié par différentes méthodologies théoriques et numériques, l'approche expérimentale est encore indispensable pour tester et comprendre les propriétés de ces surfaces. Cette thèse a commencé et s'est développée dans un projet plus large qui porte sur la mise en place d'une nouvelle technique pour l'analyse du glissement liquide/solide sur les surfaces superhydrophobes à travers les pièges optiques. Ce manuscrit développe les étapes du projet de recherche qui concernent différents domaines scientifiques comme l'optique, la microscopie, la science des surfaces, la microhydrodynamique, la microfludique et la microfabrication. Les recherches présentées dans cette thèse sont divisées par deux catégories: i) micromanipulation et microscopie holographique, ii) superhydrophobie. / Microfluidics is a very recent branch of science and technology. The development and the success, it has had in the last 15 years, is mainly due to the concept of lab-on-a-chip. Those miniaturized devices, integrating one or more laboratory functions, have aroused great interest among several research areas as physics, chemistry, biology and bioengineering. When a fluid is confined in a micro or nano scale structure, its behaviour is strongly affected by its interactions with the surrounding surfaces. In this context, the theme of fluid/solid slippage has been widely studied both theoretically and experimentally. Innovative technologies to enhance the surface slippage by specifically designing the solid interfaces have reportedly demonstrated to be an effective way to reduce the fluid/solid friction. To this end, superhydrophobic surfaces have increasingly attracted the interest of the scientific and technological community thanks to the large wall-slippage they present for liquid water. Though their behaviour has been extensively investigated through several theoretical and numerical methods, the experimental approaches are still indispensable to test and understand the properties of these surfaces. However, the lack of a general predicting model is also due to the fact that no one of the several existing experimental techniques has shown up as a very reliable one. Indeed, the reported measurements of slippage still depends on the specific adopted method, thwarting attempts to corroborate the proposed theoretical and numerical schemes. Therefore, it is evident that a more sensitive and effective experimental technique is still missing. This thesis began and developed inside the wider project of setting up an innovative technique to investigate the fluid-solid slippage on superhydrophobic surfaces by means of optical tweezers. Even though this project is still going on, this work reports the steps performed along the long way towards this main goal and it consists of a collection of several researches involving different scientific fields as optics, microscopy, surface science, microhydrodynamics, microfluidics and microfabrication. The researches presented in this work can be separated in two main categories: i) holographic micromanipulation and microscopy, ii) superhydrophobicity.

Cette thèse, intitulée NSIBM : un solveur parallèle de Navier-Stokes avec raffinement automatique basé sur la méthode des frontières immergées, a été effectuée au sein du laboratoire iCube, département de mécanique, à Strasbourg, dans le quartier de l'Orangerie, sous la direction du professeur Yannick Hoarau. L'essentiel du travail effectué consiste en le développement d'un programme capable de résoudre numériquement l'équation de Navier-Stokes qui régit des fluides en mouvement. Une attention particulière a été portée à la production de maillages conformes aux géométries proposées et à leur génération. Les moyens mis en œuvre ici pour gérer l'éternel problème de la finesse du maillage opposée au trop grand nombre de cellules sont multiples : le raffinement, la parallélisation et les frontières immergées. Dans un premier temps, j'ai conçu un générateur de maillage en deux et trois dimensions en y intégrant la possibilité de diviser des cellules, et cela de manière automatique, par des critères géométriques, numériques ou physiques. Il permet également de supprimer des cellules, de manière à ne pas mailler le vide ou les parties solides de la géométrie.Dans un deuxième temps, j'ai rendu ce code parallèle en lui donnant la capacité d'utiliser plusieurs processeurs, afin de calculer plus vite et donc d'utiliser davantage de mailles. Cette étape fait appel à deux technologies : Metis, qui partage équitablement les mailles sur le nombre choisi de processeurs et OpenMPI, qui est l'interface de communication entre ces processeurs. Enfin, la méthode des frontières immergées a été introduite au code pour gérer les bords non verticaux ou horizontaux dans un maillage cartésien, c'est-à-dire formé de rectangles ou de pavés droits. Elle consiste à donner un caractère hybride à une cellule traversée par une frontière par l'introduction d'un terme numérique de forçage simulant la présence de la paroi.Ce travail de développement a ensuite été mis à l'épreuve et validé dans une série de cas tests en deux comme en trois dimensions. Des exemples de maillages complexes générés facilement sont donnés. / This thesis, entitled NSIBM: a parallel Navier-Stokes solver with automatic mesh refinement based on immersed boundary method, has been conducted within the iCube laboratory dedicated to mechanics and located in Strasbourg. It has been supervised by Professor Yannick Hoarau. This work mainly deals with coding a program able to solve the Navier-Stokes equations that governs moving fluids, in a numerical way. Particular attention was paid to the production of meshes that suit given geometries and their generation.The means used here to handle the eternal problem of the fineness of the mesh opposed to too many cells are several~:refinement, parallelization and the immersed boundary method.Initially, I designed a two and three-dimensional mesh generator that includes the possibility of dividing cells,in an automatic way, by geometrical, numerical or physical criteria. It also allows to remove cells, where there is no point keeping it. Secondly, I parallelized the program by giving him the ability to use multiple processors to calculate faster and therefore use bigger meshes.This step uses two available libraries~: \textit{Metis}, which gives a optimal mesh partition, and \textit{openMPI}, which deals with communication between nodes. Finally, the immersed boundary method has been implemented to handle non-vertical or non-horizontal edges in a cartesian grid. Its principle is to confer a hybrid status to a cell which is crossed by an edge by adding a numerical force term simulating the presence of the boundary. This development work was then tested and validated in a serie of test cases in two and three dimensions. Examples of complex meshes easily generated are given.

L'objectif de ce travail de thèse concerne l'étude et la mise en œuvre de deux modèles de cavitation dans le solveur NSMB (Navier-Stokes-Multi-Blocks): les modèles HEM (Homogeneous Equilibrium Model) et une équation pour le taux de vide: le modèle à transport de taux de vide (TTV). Le phénomène de cavitation est modélisé par différentes équations d'état de mélange liquide-vapeur (EOS). Des simulations numériques sont réalisées sur des écoulements diphasiques compressibles unidimensionnels et bidimensionnels avec des conditions d'interface et comparées à des solutions de référence. De plus, la méthode TTV basée sur le taux de vide incluant les termes source pour la vaporisation et la condensation dans le logiciel libre open source OpenFOAM est également présentée sur la géométrie Venturi pour capturer le phénomène du jet réentrant. La modélisation de la turbulence joue un rôle majeur dans la capture des comportements instationnaires et un limiteur est introduit pour réduire la viscosité turbulente afin de mieux prédire la structure à deux phases. Une comparaison de divers modèles de cavitation couplés avec des modèles de turbulence est étudiée. Les résultats computationnels sont comparés aux données expérimentales existantes. / The objective of this thesis work concerns the study and implement of two cavitation models in the NSMB (Navier-Stokes-Multi-Blocks) flow solver: the Homogeneous Equilibrium Models (HEM) and a void ratio Transport-based Equation Model (TEM). The cavitation phenomenon is modeled by different liquid-vapor mixture equation of state (EOS). Numerical simulation are performed on some one- and two-dimensional compressible two-phase flows with interface conditions and compared with reference solutions. Moreover, The TEM based method for the void ratio including the source terms for vaporization and condensation in the free, open source software OpenFOAM is also presented on the Venturi geometry to capture the re-entrant jet phenomenon. The turbulence modeling plays a major role in the capture of unsteady behaviors and a limiter is introduced to reduce the eddy-viscosity to better predict the two-phase structure. A comparison of various cavitation models coupled with turbulence models are investigated. Computational results are compared with existing experimental data.

La microfluidique utilisant les gouttes a connu un essor remarquable ces dix dernières années. Pourtant, la dynamique de ces objets reste largement inexplorée et incomprise. Une question aussi simple que déterminer la vitesse d’une goutte poussée par une phase porteuse à vitesse imposée, ne possède à ce jour toujours pas de réponse. Comprendre et modéliser la vitesse d’une goutte nécessite dans un premier temps de caractériser les mécanismes de dissipation intervenant dans la goutte, dans le ménisque dynamique et dans le film de lubrification.Ce manuscrit présente une étude de la dynamique de films de lubrification en utilisant une technique interférométrique (RICM) qui a dû être adaptée à notre système. Nous montrons dans un premier temps que, dans un cas statique, cette outil permet de mesurer l’épaisseur de ce film nanométrique avec une très grande précision, et que celle-ci est fixée par la pression de disjonction dont la composante principale est électrostatique. Puis, le film de lubrification est étudié dans un cas dynamique. Aux faibles vitesses, l’épaisseur du film est fixée par la pression de disjonction, tandis qu’aux nombres capillaires plus élevés nous montrons qu’un modèle visqueux permet de reproduire nos résultats expérimentaux. Pour une solution micellaire,nous observons une décomposition spinodale permettant d’extraire des propriétés interfaciales (vitesse, contrainte de Marangoni). Enfin, nous avons pu dans un projet fédératif développer une laboratoire sur puce permettant des opérations de manipulation sur des gouttes en utilisant l’intégration de systèmes de chauffage au niveau micrométrique. / Digital microfluidics is a growing field of research. However, droplet dynamics remains largely unknown. As an example, a question as simple as predicting the droplet velocity while pushed by an external fluid at fixed velocity is still not answered. Understanding and thus modelizing it requires the identification of dissipation mechanisms in the droplet, in the dynamical meniscus and in the flat film. This thesis presents a study on the dynamical properties of lubrication films using an interferometric method (RICM) that has been adapted to microfluidics. We first show that, in a static case, we are able to measure nanometric film thicknesses with very accurate precision and that it is set by the disjoining pressure, especially the electrostatic part. Then the film is studied when the droplets flow. At low speeds, the film thickness is set by the disjoining pressure, while at higher capilarry numbers we identify a viscous model in agreement with our experimental results. For a micellar solution, we observe spinodal decomposition allowing us to recover interfacial properties (velocity, Marangoni stress). Finally, in a collaborative project, we were able to develop a lab on a chip allowing droplets manipulations taking advantage of micro-heaters integration.

Les propriétés du papier - pompe capillaire, prix et disponibilité - lui permettent de répondre à tout type de contraintes logistiques et économiques d'un diagnostic médical de terrain. En amont de l'application, nous avons étudié les écoulements dans des géométries confinées par des barrières de cire. Une focalisation hydrodynamique associée à l'évaporation, crée un effet de concentrateur atteignant un facteur d'amplification de 1000. La continuité du diagnostic depuis le terrain jusqu'au laboratoire est assurée par des dispositifs hybrides papier-microsystèmes. Dans cette thèse, l'élution d'échantillons séchés dans le papier est quantifiée et sa compatibilité avec différentes fonctions microfluidiques démontrée. Nous nous sommes intéressés à deux applications de diagnostic : la détection d'un biomarqueur cardiaque par immunoessai et celle du virus Ebola par amplification d'acides nucléiques (RT-RPA). Avec un dispositif papier simple et une révélation colorimétrique, la troponine a été détectée jusqu'à une concentration de 1 ng/mL. Le diagnostic précoce de maladies infectieuses est rendu possible par la biologie moléculaire sur papier. Après des développements en laboratoires sur ARN synthétiques, des expériences réalisées en Guinée, sur des échantillons cliniques, à partir de papiers prêts à l'emploi, avec une instrumentation transportable ont atteint une sensibilité à 85.3%. Le multiplexage du diagnostic est obtenu dans des géométries multicouches par la réalisation simultanée de tests et contrôles. Enfin, l'application à d'autres pathogènes comme HIV et la Dengue, a montré les limites du papier et de son environnement biochimique non contrôlé. / Paper properties – such as capillary pump, affordability and availability – made it suitable for medical diagnostics in logistic and economic field constraints. Upstream of application, we studied liquid flows in wax-confined geometries. Hydrodynamic focus coupled to evaporation creates a concentrator effect reaching an amplification factor of 1000. Diagnosis continuity from the point of care to testing laboratory is insured thanks to hybrid paper-microsystem devices. In this thesis, the elution of dried samples in paper is quantified and its compatibility with various microfluidic functions demonstrated. We were interested in two diagnostics application: detection of a cardiac biomarker by immunoassay and of Ebola virus by nucleic acids amplification (RT-RPA). With simple paper devices and a colorimetric signal, Troponin has been detected until a concentration of 1 ng/mL. Early diagnostics of infectious diseases is made possible with molecular biology on paper. After laboratory preliminary developments on synthetic RNA strains, experiments performed in Guinea with clinical samples, from ready to use papers, with carry-on equipments achieved a sensitivity of 85.3%. Multiplexed diagnostics is obtained in multilayered geometries enabling simultaneous tests and controls. Finally, application to other pathogens, like HIV and Dengue, showed paper limits from its uncontrolled bio-chemical environment.

L'analyse de sensibilité pour la simulation numérique des écoulements compressibles en aérodynamique externe par rapport à la discrétisation de maillage et aux incertitudes liées à des paramètres d'entrées du modèle a été traitée 1- par le moyen des méthodes adjointes pour le calcul de gradient et 2- par approximations stochastiques non-intrusives basées sur des grilles creuses. 1- Une méthode d'adaptation de maillages goal-oriented basée sur les dérivées totales des fonctions aérodynamiques d'intérêt par rapport aux nœuds du maillage a été introduite sous une forme améliorée. La méthode s'applique au cadre de volumes finis pour des écoulements RANS pour des maillages mono-bloc et multi-bloc structurés. Des applications 2D pour des écoulements transsoniques ainsi que subsonique détaché atour d'un profil pour l'estimation du coefficient de traînée sont présentées. L'apport de la méthode proposée est vérifié. 2- Les méthodes du polynôme de chaos généralisé sous forme pseudospectrale creuse et de la collocation stochastique construite sur des grilles creuses isotropes et anisotropes sont examinées. Les maillages anisotropes sont obtenus par le biais d'une méthode adaptive basée sur l'analyse de sensibilité globale. L'efficacité des ces approximations est testée avec des fonctions test et des écoulements aérodynamiques visqueux autour d'un profil en présence d'incertitudes géométriques et opérationnelles. L'intégration des méthodes et aboutissements 1- et 2- dans une approche couplée permettrait de contrôler de façon équilibrée l'erreur déterministe/stochastique goal-oriented. / Sensitivity analysis for the numerical simulation of external aerodynamics compressible flows with respect to the mesh discretization and to the model input parametric uncertainty has been addressed respectively 1- through adjoint-based gradient computation techniques and 2- through non-intrusive stochastic approximation methods based on sparse grids. 1- An enhanced goal-oriented mesh adaptation method based on aerodynamic functional total derivatives with respect to mesh coordinates in a RANS finite-volume mono-block and non-matching multi-block structured grid framework is introduced. Applications to 2D RANS flow about an airfoil in transonic and detached subsonic conditions for the drag coefficient estimation are presented. The asset of the proposed method is patent. 2- The generalized Polynomial Chaos in its sparse pseudospectral form and stochastic collocation methods based on both isotropic and dimension-adapted sparse grids obtained through an improved dimension-adaptivity method driven by global sensitivity analysis are considered. The stochastic approximations efficiency is assessed on multi-variate test functions and airfoil viscous aerodynamics simulation in the presence of geometrical and operational uncertainties. Integration of achievements 1- and 2- into a coupled approach in future work will pave the way for a well-balanced goal-oriented deterministic/stochastic error control.

L'estimation précise de la traînée est aujourd'hui un enjeu majeur pour les avionneurs. Il est nécessaire d'identifier et de quantifier ses sources phénoménologiques dans le cadre d'un processus de design efficace. Les méthodes champ lointain, qui permettent une telle décomposition, sont cependant limitées aux applications stationnaires.Cette étude consiste à développer une méthode d'extraction champ lointain destinée à permettre une décomposition phénoménologique de la traînée pour des écoulements instationnaires. La première étape a consisté à généraliser la formulation stationnaire de Van der Vooren aux écoulements instationnaires. Des axes pour l'amélioration de la robustesse et du contenu physique ont ensuite été explorés, avec la mise en évidence de phénomènes acoustiques. La formulation ainsi obtenue a ensuite été appliquée à des cas tests simples, dans le but de valider la décomposition phénoménologique. Le comportement des composantes de traînée s'est avéré cohérent avec la physique de l'écoulement. Enfin, la méthode a été appliquée à des cas complexes afin de démontrer ses capacités : un cas instationnaire 3D ainsi qu'un écoulement simulé en ZDES.Dans l'avenir, il serait intéressant de continuer à explorer la définition de la composante de traînée induite, par exemple en utilisant les formulations basées sur le vecteur vitesse. En ce qui concerne les cas d'application, l'évaluation de la performance d'un doublet d'hélices contra-rotatives pourrait fortement bénéficier de l'utilisation d'une méthode comme celle-ci. Enfin, des applications en vol d'ailes battantes pourraient être d'intéressantes perspectives. / Accurate drag prediction is now of a major issue for aircraft designers. Its phenomenological sources need to be identified and quantified for an efficient design process. Far-field methods, which allow such phenomenological drag breakdown, are however restricted to steady flows. This study consists in developing a far-field drag prediction method aiming at a phenomenological breakdown of drag for unsteady flows. The first step has consisted in generalizing the steady formulation of Van der Vooren to unsteady flows, starting from a new rigorous proof. Axes for the improvement of the robustness and physical background have then been explored. Acoustic contributions have in particular been highlighted and quantified. The resulting five-components formulation has then been applied to simple cases, in order to validate as best as possible the phenomenological breakdown. The behavior of the drag components has proved to be consistent with the physics of the flow. Finally, the method has been applied to complex cases in order to demonstrate its capabilities: a 3-D case and a flow simulated by the ZDES method. In the future, it would be interesting to further improve the definition of the induced drag component, for example by using velocity-based formulations. As far as the application cases are concerned, the performance evaluation of a Counter-Rotating-Open-Rotor would strongly benefit from such a method. Unsteady optimization of one of the drag component could also be contemplated. Finally, applications in aeroelasticity or flapping flight would be an interesting perspective.

La vaporisation rapide du sodium liquide surchauffé est supposée être à l’origine des arrêts automatiques pour réactivité négative du réacteur Phénix.Un dispositif expérimental a été mis en œuvre pour reproduire la détente d'un gaz pressurisé, repoussant un liquide dans un canal de section rectangulaire très allongée.L’interface qui sépare les deux fluides, initialement plate, ondule du fait d'instabilités de Rayleigh-Taylor dont le caractère 2D est garanti par le rapport d'aspect de la section du canal. L’aire interfaciale augmente d'un facteur 50.L’expansion du gaz peut être divisée en deux phases principales : une phase dite « de Rayleigh-Taylor » (linéaire et non-linéaire) et une phase dite « à multi-structures » (transitionnelle et chaotique). La première est caractérisée par la dynamique de l'interface et l’aire interfaciale qui en résulte est proportionnelle à l’amplitude des ondulations. La deuxième est influencée par le comportement des structures liquides, dispersées dans la matrice gazeuse et l’aire interfaciale est alors proportionnelle au nombre de structures.La distribution de fraction volumique suggère un modèle d’écoulement composé de trois régions : une région où la frontière des bulles est clairement définie et régulière, une région compartimentée par des membranes liquides issues des frontières des bulles, une région diphasique formée de la queue de ces structures. L’analyse de sensibilité à la tension superficielle confirme que plus la tension est faible, plus les interfaces sont instables. Les ondes sont plus prononcées et plus de structures sont produites, ce qui conduit à une majoration du taux de production de l’aire interfaciale. / The sharp vaporization of superheated liquid sodium is investigated. It is suspected to be at the origin of the automatic shutdown for negative reactivity, occurred in the Phénix reactor at the end of the eighties.An experimental apparatus has been designed and operated to reproduce the expansion of overpressurized air, superposed to water in a narrow vertical rectangular section channel.When expansion begins, the initial flat interface separating the two fluids becomes corrugated under the development of two-dimensional Rayleigh-Taylor instabilities. The interface area increases significantly and becomes even 50 times larger than the initial value. Since the channel is very narrow, instabilities along the channel depth do not develop.The gas expansion in a narrow channel can be divided into two main phases: Rayleigh-Taylor (linear and non-linear) and multi-structures (transition and chaotic) phases. The former is characterized by the dynamic of corrugated profile and the interface area results proportional to the amplitude of corrugation The latter is influenced by the behavior of the liquid structures dispersed in gas matrix and the interface area is mainly proportional to the number of liquid structures.The distribution of volume fraction suggests a model of channel flow consisting of three regions: the regular profile of peaks, the spike region and the structures tails. The analysis of sensibility to surface tension confirms that, with a lower surface tension, the fluids configuration is more unstable. The interface corrugations are more pronounced and more structures are produced, leading to a higher increment of the interface area.