La microfluidique à goutte a connu un essor remarquable ces dix dernières années. Pourtant, la dynamique de ces objets reste largement inexplorée et incomprise. En effet, une question aussi fondamentale que de prédire la vitesse d'une goutte poussée par une phase porteuse à vitesse imposée, est restée jusqu’à ce jour, sans réponse. Comprendre la dynamique d'une goutte suppose de caractériser les dissipations visqueuses (friction) au sein de la goutte et dans le film de lubrification. Ces dissipations visqueuses sont étroitement liées à la forme et aux propriétés physico-chimiques de l'interface séparant l'intérieur de la goutte de la phase externe. Ce manuscrit présente une caractérisation de la dynamique d’une goutte 2D en cellule de Hele-Shaw en exploitant la double mesure du film de lubrification par microscopie interférentielle et de la vitesse de la goutte. Dans un premier temps, nous étudions expérimentalement la forme adoptée par l'interface en fonction de la viscosité de la goutte et de la concentration en tensioactifs. La comparaison des topographies expérimentales mesurées avec des modèles théoriques déjà existants et un nouveau développé dans ce manuscrit, révèle que l'utilisation d'une approche purement hydrodynamique (sans effet Marangoni) pour déterminer la topographie théorique n'est en mesure de reproduire la topographie expérimentale que lorsque le système ne présente pas de tensioactif ou bien lorsque la viscosité de la goutte est suffisamment importante pour prendre le pas sur d'éventuels effets Marangoni à l'interface. Dans les autres cas, la forment de l'interface évolue en fonction de la contrainte de Marangoni qui peut s'exercer localement ou globalement à l'interface. Dans un deuxième temps, l’établissement d’un modèle théorique pour la vitesse de la goutte, basé sur la modélisation des topographies de films expérimentales mesurées, permet de retrouver quantitativement, et sans paramètre d'ajustement, les vitesses de goutte mesurées expérimentalement. / Droplet microfluidics is a growing field of research. However, the dynamics of these objects remain misunderstood. Indeed, a question as fundamental as predicting the droplet velocity while pushed by an external fluid at a given velocity is still not answered. Understanding the dynamics of a droplet requires to characterize the viscous dissipation mechanisms (friction) within the droplet and in the lubrication film. This dissipation is related to the shape and to the physicochemical properties of the interface separating the inner phase of the droplet from the outer phase. This thesis presents a characterization of the dynamics of 2D droplets in a Hele-Shaw cell, by taking advantage of the double measurement of the lubrication film by interference microscopy and of the droplet velocity. Firstly, we study experimentally the influence of the droplet viscosity and surfactant concentration on the shape of the interface. The comparison between the topographies measured experimentally with the theoretical models already existing and the new one developed in this thesis, reveals that the use of a purely hydrodynamical approach in order to derive the theoretical topography only allows to recover the experimental topography if the system is surfactant free or if the droplet viscosity is high enough to overcome the Marangoni effect at the interface. In the other cases, the shape of the interface depends on the Marangoni stress exerted either locally or globally at the interface of the droplet. In a second part, the derivation of a theoretical model for the droplet velocity, based on the modeling of the lubrication film topographies measured experimentally, allows to recover quantitatively, and without any fitting parameter, the experimental data on droplet velocities.

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.

Cette thèse vise à contribuer à la caractérisation, à l’aide de modélisation et d’expérience, de la dynamique de bulle en microfluidique. Deux régimes d’écoulements rencontrés en microfluidique sont étudiés, le régime bubbly flow et le régime Taylor flow. En particulier, la première partie de cette thèse traite de la dynamique d’un écoulement de type bubbly flow dans un microcanal rectiligne de section circulaire en présence de surfactants. Le code de calcul numérique JADIM est utilisé. Une méthode numérique permettant, d’une part, de simuler le transport de surfactants le long d’une interface qui bouge et qui se déforme, et d’autre part, de simuler l’effet Marangoni crée par une distribution inhomogène de ces surfactants sur cette interface, est implémentée et validée. Les simulations effectuées avec ce code concernant la dynamique d’un écoulement de type bubbly flow montrent par exemple que, le confinement créé par les parois du microcanal résulte en une distribution des surfactants sur la surface des bulles qui est fondamentalement différente d’une distribution rencontrée dans le cas d’une bulle qui se déplace dans un liquide de dimension infinie. En effet, les surfactants s’accumulent en des locations spécifiques sur la surface des bulles et créent des forces de Marangoni locale, qui influencent drastiquement la dynamique des bulles. Dans certains cas, les surfactants peuvent même engendrer une désintégration de la bulle, un mécanisme qui est rationalisé par un bilan de force à l’arrière de la bulle. La méthode numérique implémentée dans cette thèse est également utilisée pour un problème pratique concernant la production artisanale de Mezcal, une boisson alcoolisée produite au Méxique. La seconde partie de cette thèse traite de la dynamique d’un écoulement de type Taylor flow, à l’aide d’expérience et de modélisation. Une méthode expérimentale permettant de mesurer l’épaisseur du film de lubrification qui se forme entre une bulle de Taylor et les parois du microcanal est développée. Cette méthode requiert uniquement une image « brightfield » de la bulle. En plus de la mesure de l'epaisseur du film de lubrification, la méthode permet aussi de mesurer la profondeur du microcannal. Enfin, l'utilisation de la méthode proposée couplée à la mesure de la vitesse de translation de la bulle permet de déduire la tension de surface de celle-ci. Dans le dernier chapitre de cette thèse, l'influence des effets gravitaires sur la dynamique des écoulements de Taylor est quantifiée. Quoique souvent négligée en microfluidique, il est montré que les effets gravitaires peuvent avoir un impact significatif sur la dynamique des écoulements de Taylor. Ces impacts sont quantifiés à l'aide d'expériences et de modélisations. Ce travail a été réalisé à la Princeton University avec Professeur Howard A. Stone pendant un séjour de 7 mois. / This thesis aims at contributing to the characterization of the dynamics of bubbles in microfluidics through modeling and experiments. Two flow regimes encountered in microfluidics are studied, namely, the bubbly flow regime and the Taylor flow regime (or slug flow). In particular, the first part of this thesis focuses on the dynamics of a bubbly flow inside a horizontal, cylindrical microchannel in the presence of surfactants using numerical simulations. A numerical method allowing to simulate the transport of surfactants along a moving and deforming interface and the Marangoni stresses created by an inhomogeneous distribution of these surfactants on this interface is implemented in the Level set module of the research code. The simulations performed with this code regarding the dynamics of a bubbly flow give insights into the complexity of the coupling of the different phenomena controlling the dynamics of the studied system. Fo example it shows that the confinement imposed by the microchannel walls results in a significantly different distribution of surfactants on the bubble surface, when compared to a bubble rising in a liquid of infinite extent. Indeed, surfactants accumulate on specific locations on the bubble surface, and create local Marangoni stresses, that drastically influence the dynamics of the bubble. In some cases, the presence of surfactants can even cause the bubble to burst, a mechanism that is rationalized through a normal stress balance at the back of the bubble. The numerical method implemented in this thesis is also used for a practical problem, regarding the artisanal production of Mezcal, an alcoholic beverage from Mexico. The second part of the thesis deals with the dynamics of a Taylor flow regime, through experiments and analytical modeling. An experimental technique that allows to measure the thickness of the lubrication film forming between a pancake-like bubble and the microchannel wall is developed. The method requires only a single instantaneous bright-field image of a pancake-like bubble translating inside a microchannel. In addition to measuring the thickness of the lubrication film, the method also allows to measure the depth of a microchannel. Using the proposed method together with the measurment of the bubble velocity allows to infer the surface tension of the interface between the liquid and the gas. In the last chapter of this thesis, the effect of buoyancy on the dynamics of a Taylor flow is quantified. Though often neglected in microfluidics, it is shown that buoyancy effects can have a significant impact on the thickness of the lubrication film and consequently on the dynamics of the Taylor flow. These effects are quantified using experiments and analytical modeling. This work was performed at Princeton University with Professor Howard A. Stone during a seven month stay.