Les milieux poreux sont omniprésents dans le quotidien des hommes du 21ème siècle que ce soit par hasard ou par nécessité. Certains permettent le transport d’une ou plusieurs phases fluides immiscibles, une situation à la fois courante et critique dans de nombreuses applications industrielles. Le transport d’une phase mouillante, l’imbibition, a été largement étudiée mais un certain nombre de problèmes restent ouverts. Dans cette thèse, nous nous sommes concentrés sur trois d’entre eux. La fragmentation de phase induite par la gravité dans une jonction asymétrique a été étudiée. La dynamique et un critère d’apparition ont été prédits analytiquement puis confirmés expérimentalement. Ensuite, l’évolution de l’épaisseur d’un front d’imbibition dans un réseau de capillaires a été simulée numériquement. Les résultats ont permis de lever une controverse de la littérature. Enfin, l’imbibition dans un milieu constitué de lames flexibles déformables a été explorée numériquement et expérimentalement. Il a été montré que la déformabilité des lames induit leur coalescence et agit sur la dynamique de l'imbibition. / Porous media are ubiquitous in today’s society due to chance or necessity. Some of them allow the transportation of one or several immiscible fluid phases simultaneously. This property is both usual and critical in many industrial processes. The transport of a wetting phase, imbibition, has been widely studied but lots of issues remain opened. In this manuscript, three of them are addressed. Gravity induced phase fragmentation has been studied in an asymmetric pore junction. Fragmentation criterion and dynamic are predicted analytically and confirmed experimentally. Then, the broadening of an imbibition front in a capillary network has been investigated numerically. Results resolved a controversy in the literature. Finally, imbibition in a medium made of flexible sheets has been studied both numerically and experimentally. It showed that sheets flexibility induces their clustering and influences the imbibition dynamic.

Cette thèse porte sur les interactions mécaniques entre liquides et structures élastiques fines. Dans un premier temps, on s’intéresse à une goutte liquide posée sur une fibre horizontale indéformable. L’influence de la tension de surface et de la gravité est révélée par une étude numérique et analytique du système. Cette compréhension nous permet d’introduire un outil de mesure de rayon de fibre précis, validé expérimentalement sur des fibres microniques. Mais les forces capillaires développées par les gouttes peuvent être suffisantes pour déformer de fines fibres élastiques. Par exemple, lorsqu’elle est comprimée, une fibre de soie de capture d’araignée flambe et s’enroule au sein des gouttes d’eau qui la décorent naturellement. Cet enroulement élasto-capillaire octroie une extensibilité apparente remarquable à la fibre composite qui s'enroule et se déroule spontanément, assurant ainsi la tension du système au gré des déformations imposées. Ce comportement mécanique peut revêtir un intérêt particulier pour les connecteurs électroniques étirables mais la rigidité de fibres métalliques compromet l’enroulement élasto-capillaire. Cet obstacle est surmonté en apposant une fibre d’élastomère souple à la fibre fonctionnelle. Cette stratégie de la fibre auxiliaire souple facilite l’enroulement en renforçant les forces capillaires sans pour autant augmenter significativement la rigidité à la flexion globale de la fibre composite. Dans le cas de la goutte sur fibre simple, la dynamique d’enroulement et de déroulement est étudiée, et introduit une expérience originale pour l’étude de la dynamique de la ligne de contact. L’élasto-capillarité assure une étirabilité unidimensionnelle aux fibres élastiques fines présentées. Cette stratégie est étendue aux structures bidimensionnelles en imbibant une fine membrane fibreuse d’un liquide mouillant. Lorsque les bords de cette membrane imbibée sont rapprochés, la membrane solide se plisse au sein du film liquide et reste ainsi globalement droite. L’étude expérimentale et théorique de ce matériau hybride liquide-solide révèle un comportement à la fois solide et liquide : le film liquide apporte une tension de surface tandis que la membrane fibreuse solide assure l’inextensibilité. Finalement, le motif de flambage qu’exhibe la membrane imbibée lorsqu’elle est comprimée est analysé et interprété par un modèle théorique. / This PhD thesis focuses on the mechanical interactions between liquids and thin elastic structures. First, we study the mechanics of a liquid drop sitting on an undeformable horizontal fiber. We numerically and analytically investigate how capillarity and gravity affect the shape of drop and the forces it develops on the fiber. This understanding allows us to introduce a precise fiber-radius measurement technique, experimentally validated on micronic fibers. But capillary forces developed by drops are sometimes strong enough to deform thin elastic fibers. For example, upon compression of its ends, a spider capture silk fiber spontaneously buckles and spools inside water droplets naturally sitting on it. This elasto-capillary coiling provides the composite system with an apparent extreme extensibility as excess fiber is continuously spooled in or out of the liquid drop, thus ensuring tension throughout large deformations. This mechanical behavior could be of interest for stretchable electronic connectors but the stiffness of metallic fibers jeopardizes in-drop coiling. We overcome this limitation by attaching a beam of soft elastomer to the functional fiber. This soft auxiliary beam strategy favors coiling by enhancing capillary forces without significantly increasing the overall elastic bending rigidity of the composite fiber. We also study the coiling and uncoiling dynamics of the drop-on-a-single-fiber compound, presenting a novel experiment for the study of contact line dynamics.Elasto-capillarity with thin elastic fibers provides one-dimensional stretchability. This strategy is generalized to two-dimensional structures by infusing a thin free-standing fibrous membrane with a wetting liquid. When the boundaries of this wicked membrane are brought closer, the solid membrane wrinkles and folds inside the liquid film, and therefore remains globally flat. We experimentally and theoretically study the mechanical behavior of this hybrid liquid-solid material, its main feature lies in a mixed liquid-solid behavior: the liquid film provides surface tension while the solid fibrous membrane provides inextensibility. Finally, we analyze the buckling pattern displayed by the wicked membrane upon compression and propose a theoretical model recovering the main experimental features.

Les effets capillaires sont très courant dans la Nature. Dans le contexte du séchage de milieux poreux dont la taille de pore est dans la gamme micromètre-millimètre, ils jouent un effet dominant en contrôlant la répartition des phases (liquide-vapeur) dans l’espace poral, au fur et a` mesure que le séchage se produit. L’idée du présent travail est d’étudier le séchage d’un fluide pur et mouillant dans des micromodèles, c’est-à-dire des milieux poreux modèles quasi-2D et micro-fabriqués. Nous présentons des résultats obtenus pour différentes géométries. Typiquement, les micromodèles utilisés sont constitués de réseaux de cylindres pris en sandwich entre deux plaques. La distribution des phases et le taux d’évaporation dans de tels micromodèles peuvent être aisément mesurés par visualisation directe puis traitement d’images.En jouant sur l’arrangement spatial des cylindres, on obtient dans un premier temps des micromodèles pour lesquels le taux de séchage est quasi-constant, depuis le début de l’expérience de séchage jusqu’à l’évaporation totale du liquide saturant initialement le système. Typiquement, cette situation est obtenue quand la taille des pores décroît en allant du centre du micromodèle vers sa périphérie (les micromodèles sont axisymmétriques). Au contraire, quand la taille des pores croît du centre vers la périphérie, l’invasion d’un front de séchage stable est observée, d’ou` un temps de séchage total bien supérieur.Nous avons aussi réalisé un autre type de microsystèmes, au sein duquel les cylindres sont arrangés en spirale de Fibonacci, en nous inspirant de motifs observés en phillotaxie. Dans de tels systèmes, des films liquides épais se développent le long des spirales, au cours du séchage, et jouent un rôle crucial dans la cinétique d’évaporation. Cette situation rappelle celle déjà étudiée par Chauvet dans des tubes capillaires de section carrée. Cependant, elle est plus complexe, de par la nature poreuse du micromodèle (alors qu’un tube capillaire, tel qu’étudié par Chauvet, peut être vu comme un pore unique) et parce que les films liquides y ont une forme plus complexe. Pour de tels systèmes, nous présentons des résultats expérimentaux quantifiant l’effet des films liquides sur la cinétique de séchage, en lien avec des prédictions théoriques issues d’un modèle de séchage visco-capillaire. Un tel modèle nécessite l’utilisation du logiciel Surface Evolver pour modéliser la forme des films liquides, couplée avec des simulations directes de l’écoulement de Stokes dans les films liquides, pour y calculer la résistance visqueuse a` l’écoulement induit par l’évaporation.Enfin, dans un dernier chapitre, plusieurs expériences d’évaporation sont conduites sur des micromodèles déformables. Des effets élasto-capillaires peuvent en effet induire des changements de géométrie de l’espace poral en cours d’évaporation, ce qui, comme vu précédemment, peut affecter la distribution des phases et la cinétique de séchage. / Capillarity is a common phenomenon encountered in Nature. In the context of the drying of porous media with pore size in the micrometer-millimeter size range, capillary effects play a dominant role in controlling the phases (liquid or vapor) distribution in the pore space as drying occurs. The basic idea of the present work is to study the drying of pure, wetting fluids in micro-fabricated, quasi-2D, model porous media (hereafter called micromodels). We present results obtained for different micromodel geometries. Typically, the micromodels used consist of arrangements of cylinders sandwiched between a top and bottom plate. Phases distribution and evaporation rates in such micromodels can easily be measured by direct visualizations and subsequent image processing.By tuning the cylinders pattern, one can first obtain micromodels for which the drying rate is almost constant, from the beginning of the drying experiment to the total evaporation of the liquid initially filling the system. Typically, this situation is obtained when the pores size decreases from the micromodel center to the periphery (the micromodels are axisymmetric). On the contrary, when the pores size increases from the center to the periphery, invasion of a stable drying front is observed, resulting in a much longer total drying time.We also designed another type of micromodel where the cylinders are arranged in a Fibonacci spiral pattern, a design inspired by phyllotaxic structure. In such systems, thick liquid films develop along the spirals during drying and play a key role in the drying kinetics. This situation is reminiscent of that already studied by Chauvet in capillary tubes with square cross-sections. However, it is more complex because of the porous nature of the micromodel (whereas a single capillary tube, as studied by Chauvet, can be viewed as a unique pore), and because of the much more complex liquid films shapes. For such systems, we present some experimental results on the liquid films effects on the drying kinetics, together with theoretical prediction, based on a visco-capillary drying model. Such a modelling requires the use of the Surface Evolver software to model the film shape, coupled with DNS simulations of the Stokes flow within the liquid films to compute the viscous resistance to the evaporation-induced flow.Finally, as a last part of this thesis, several evaporation experiments performed on deformable micromodels are presented. This preliminary work aims at reaching a situation where elasto-capillary effects modify the pore space geometry during evaporation. This, as seen above, should in turn alter the phase distribution during evaporation and the drying kinetics.