The aim of this thesis is to study the structural and thermodynamical properties of polymers at liquid/liquid interfaces by means of multiscale molecular dynamics simulations. This thesis is presented in alternative format, and the results, consisting of three journal articles, are divided into two main parts. The first part of the thesis looks at the structural and dynamical changes as well as the thermodynamic stability of polymers of varying topology (linear and star-shaped) at interfaces by performing molecular dynamics simulations on model systems. It was found that homopolymers are attracted to the interface in both good and poor solvent conditions making them a surface active molecule, despite not being amphiphilic. In most cases changing polymer topology had only a minor effect on the desorption free energy. A noticeable dependence on polymer topology is only seen for relatively high molecular weight polymers at the interface. Examining separately the enthalpic and entropic components of the desorption free energy suggests that its largest contribution is the decrease in the interfacial free energy caused by the adsorption of the polymer at the interface. Furthermore, we propose a simple method to qualitatively predict the trend of the interfacial free energy as a function of the polymer molecular weight. In terms of the dynamics of a linear polymer, the scaling behaviour of the polymer confined between two liquids did not follow that predicted for polymers adsorbed onsolid or soft surfaces such as lipid bilayers. Additionally, the results show that in the diffusive regime the polymer behaves like in bulk solution following the Zimm model and with the hydrodynamic interactions dominating its dynamics. Further simulations carried out when the liquid interface is sandwiched between two solid walls show that when the confinement is a few times larger than the blob size the Rouse dynamics is recovered. The second part of the thesis focuses on optimizing the MARTINI coarse-grained (CG) Model, which retains certain chemical properties of molecules, to reproduce solubility of polymers, in specific polyethylene oxide (PEO), in both polar and non-polar solvents. Performing molecular dynamics simulations using this CG model will then enable us to study the properties PEO in octanol/water and hexane/water systems with increased length and timescales not accessible by atomistic simulations. The MARTINI CG method (Marrink et al., J. Phys. Chem. B, 2007, 111, 7812) is based on developing the optimal Lennard-Jones parameters to reproduce the partition free energy between water (polar solvent) and octanol (apolar solvent). Here we test the MARTINI CG method when modelling the partitioning properties of PEO, with increasing molecular weight between solvents of different polarity by comparing the results with atomistic simulation. We show that using simply the free energy of transfer from water to octanol to obtain the force parameters does not guarantee the transferability of the model to other solvents. Instead one needs to match the solvation (or hydration) free energies to ensure that the polymer has the correct polarity. We propose a simple method to select the Lennard-Jones parameter to match the solvation free energies for different beads. We also show that, even when the partition coefficient of the monomer is correct, even for modestly high molecular weight of the polymer the predicted partitioning properties could be wrong.

Nous présentons plusieurs expériences d'hydrodynamique interfaciale illustrant des procédés de création, stabilité et rupture d'interfaces fluides, liquide/liquide ou liquide/gaz. Dans un premier temps, nous étudions le processus de fragmentation d'objets déformables, gouttes et bulles, par un obstacle rectangulaire ou une boucle asymétrique placés dans un canal microfluidique. La deuxième partie de ce travail se consacre à des expériences menées avec des bulles et films liquides minces formés à l'aide d'eau savonneuse ou de liquides très visqueux. Après avoir revisité quelques surfaces minimales adoptées par un film de savon à l'équilibre, nous étudions divers mécanismes de formation de bulles et de bulles interfaciales. Dans ces deux parties, nos études sont menées en faisant varier de façon systématique les paramètres hydrodynamiques, physicochimiques et géométriques contrôlant chaque expérience. Nous interprétons les résultats obtenus en microfluidique à l'aide d'arguments simples basés notamment sur l'analogie électro-hydraulique aux bas nombres de Reynolds, tandis que l'analyse dimensionnelle et des lois d'échelle permettent de décrire la plupart des comportements expérimentaux des bulles et films liquides minces. / We report hydrodynamic experiments illustrating the creation, stability and rupture of either liquid/liquid or liquid/gas interfaces. First, we investigate the fragmentation of deformable objects, such as drops and bubbles, against a rectangular obstacle or at the entry node of an asymmetric loop placed in a microfluidic channel. In the second part of this work, we report experiments conducted with bubbles and thin-liquid films either made with soapy water or highly viscous fluids. After having described a few minimal surfaces sought by a soap film at equilibrium, we study a variety of mechanisms that yield the formation of bubbles and interfacial bubbles. In both parts, our investigations are conducted by systematically varying the parameters (hydrodynamic, physicochemical and geometric) controlling each experiment. We interpret microfluidic results with simple physical arguments based on the electro-hydraulic analogy at low Reynolds numbers. Experimental findings on bubbles are rationalized mostly using dimensional analysis and scaling laws.

Thesis (Ph. D.)--University of Texas at Austin, 2000. / Vita. Includes bibliographical references. Available also in a digital version from Dissertation Abstracts.

Thesis (Ph.D.)--University of Melbourne, Dept. of Mathematics and Statistics, 2007. / Typescript. Includes bibliographical references (leaves 143-151).

Thesis (Ph. D.)--University of Texas at Austin, 2000. / Vita. Includes bibliographical references (leaves 248-269). Available also in a digital version from Dissertation Abstracts.

Thesis (Ph. D.)--Rutgers University, 2008. / "Graduate Program in Mechanical and Aerospace Engineering." Includes bibliographical references (p. 152-163).

Thesis (Ph.D.)--McMaster University, 2005. / Supervisor: Geoffrey Brooks and Kenneth Coley. Includes bibliographical references (p. 152-164).

Lorsque des champs électriques sont appliqués à des mélanges eau-huile, les petites gouttelettes d'eau sont attirées entre elles et se regroupent en gouttes plus grosses. Ce processus d’électrocoalescence rend plus efficace la séparation huile-eau par sédimentation.Des données expérimentales sur l’électrocoalescence de très petites gouttelettes sont nécessaires pour améliorer la compréhension de la dynamique de l'interface eau-huile et pour valider les modèles numériques. La configuration simple étudiée dans ce travail de thèse concerne une petite paire de gouttelettes tombant dans une cuve d'huile modèle et soumise à un champ électrique aligné avec l’axe de symétrie des gouttes et la gravité.La première partie du travail a consisté à générer de façon contrôlée d’une paire de très petites gouttelettes (dans la gamme de diamètres 20-200 microns) alignée avec le champ électrique. La génération de goutte à la demande, par méthode éléctrohydrodynamique (EHD) a été améliorée pour un meilleur contrôle du diamètre et de la charge électrique des gouttelettes injectées à partir d'une aiguille métallique unique. Ceci a été obtenu en appliquant à un ménisque d'eau pendant à l’extrémité de l’aiguille des impulsions électriques de forme optimisée.La caractérisation électrique et hydrodynamique des paires de gouttelettes et leur coalescence sont alors principalement déduites de l'analyse des vitesses de chute, avec et sans application d’un champ électrique à courant continu. Des données complètes de positions des gouttelettes et de leur vitesse en fonction du temps sont déduites de prises de vues vidéo. Une attention particulière a été accordée aux visualisations de très petites gouttelettes tombant à petites vitesses, associant des angles multiples de prise de vue, de forts zooms et des vidéos à grande vitesse.La modélisation des différents termes d'interactions hydrodynamiques et électrostatiques entre les gouttelettes permet de déduire des vitesses enregistrées leur masse charge électrique respectives. Quand se produit une coalescence des deux gouttelettes, un enregistrement de la vitesse de la gouttelette résultante, avec et sans tension électrique appliquée, permet de contrôler la conservation de la masse et de la charge électrique, et la validation du procédé.Un premier ensemble de données est constitué d'environ 70 cas différents, avec différentes paire des gouttelettes (dans une plage de diamètre limitée de façon à ce que les vitesses de chute soient comprises entre 0,1 et 0,3 mm/s) et en faisant varier la tension appliquée à courant continu ou alternatif. L'analyse des résultats et des incertitudes expérimentales et un exemple de comparaison possible avec des simulations numériques utilisant le logiciel Comsol Multiphysics ™, permettent d'effectuer des recommandations pour les travaux futurs.Ce travail a été financé par le projet “Fundamental understanding of electrocoalescence in heavy crude oils”; coordonné par SINTEF Energy Research. Le projet a été soutenu par The Research Council of Norway, dans le cadre du contrat n °: 206976 / E30, et par les partenaires industriels suivants: Wärtsilä Oil & Gas Systems AS, Petrobras et Statoil ASA. / When electric fields are applied in oil-water mixtures small water droplets are attracted to others and merge in larger drops. This electrocoalescence process makes more efficient the oil-water separation by sedimentation.Experimental data on the electrocoalescence of very small droplets will be useful to improve the understanding of the dynamics of water-oil interface and to validate numerical models. The simple configuration studied consists in a small droplet pair falling in stagnant model oil, under electric field aligned with the symmetry axis of the droplet pair and the direction of gravity.First part of the work consisted in the well-controlled generation of very small droplet pair (range 20-200 microns) aligned with electric field. Droplet-on-Demand generation by EHD method was improved for a better control of the diameter and electric charge of droplets injected from a single metallic needle. This was obtained by applying to a pendant water meniscus optimized multistage high voltage electric pulses.Electrical and hydrodynamic characterization of the droplet pairs and their coalescence are then mainly deduced from the analysis of falling velocities, with and without applied DC electric field. A complete data set of droplet position and velocity is deduced from video. A special attention was paid to the visualizations of very small droplet and small falling velocities, involving multiple angle of view, strong zooming and high speed video.Modelling the different terms of hydrodynamic and electrostatic interactions between droplets allows deducing from the recorded velocities their respective mass and electric charge. When coalescence occurs, a record of the resulting single droplet velocity, with and without applied voltage, allows controlling the mass and charge conservations and validating the method.A first data set was constituted of about 70 different cases, with varying droplets pair (with a limited diameter range to remain with falling velocities between 0.1 and 0.3 mm/s) and varying applied DC or AC voltage. Analyses of the results and experimental uncertainties, and example of possible comparison with numerical simulations using Comsol Multiphysics™ software, allow performing some recommendations for future work.This work was funded by the project “Fundamental understanding of electrocoalescence in heavy crude oils”; co-ordinated by SINTEF Energy Research. The project was supported by The Research Council of Norway, under the contract no: 206976/E30, and by the following industrial partners: Wärtsilä Oil & Gas Systems AS, Petrobras and Statoil ASA.

Ce manuscrit se concentre sur l’étude de la dynamique de drainage de gouttes d’eau dans une phase continue d’huile de paraffine. Les gouttes sont de taille millimétrique, déformables et évoluent dans un domaine de simulation carré de 1 cm de coté. La simulation du comportement de tels systèmes pose le problème général de la description numérique des écoulements multiphasiques non stationnaires. Un modèle simplifié dans une géométrie à deux dimensions est proposé et simulé en volumes finis. Il inclut les propriétés physico-chimiques des interfaces et notamment les phénomènes de coalescence et l’évolution d’un tensioactif soluble dans les gouttes. L’effet des conditions aux limites sur le drainage d’une unique goutte est étudié. Le rôle de la coalescence sur ce drainage est également décrit pour un modèle de deux gouttes. Quelques simulations sont enfin proposées avec des systèmes dispersés plus complexes. / This manuscript focuses on the description of the settling dynamics of water droplets in a continuous phase of paraffin oil. Droplets are of millimetre size, deformable and evolve in a square simulation domain of 1 cm side. The simulations of the behaviour of such systems raise the general problem of the numerical description of the flows occurring in multiphase unsteady systems. A simplified model in a two dimensional geometry is used and integrated with a finite volume numerical technique. It includes the interfacial mechanical and chemical properties and in particular the coalescence phenomena and the evolution of a water soluble surfactant. The effect of the boundary conditions on the drainage of a unique droplet is studied. The role of drop-drop coalescence on this drainage is also described for a model with two droplets. Some simulations are finally proposed with more complex dispersed systems.

Depuis plusieurs décennies, une importante activité scientifique se concentre sur la description numérique, théorique ou expérimentale de l'hydrodynamique des écoulements multiphasiques. Ces écoulements sont caractérisés par l'existence d'interfaces, et d'une force à l'interface, la tension superficielle, séparant généralement deux fluides non miscibles. Un cas d'étude dans ce contexte est le problème du drainage d'une unique goutte dans une phase continue, l'ensemble étant soumis à la gravité. Ce système fait apparaître des écoulements récemment décrits pour une goutte d'eau dans l'huile de paraffine. Ce système constitue également un modèle simple pour l'étude des propriétés aux interfaces, Mais d'un point de vue numérique, se pose alors le problème de la stabilité des algorithmes pouvant être utilisés. Les effets aux interfaces impliquent en effet des domaines spatiaux très limités dans lesquels les grandeurs physiques entre les deux fluides sont discontinues. D'importants artéfacts numériques peuvent alors être générés dans les simulations et faire perdre la richesse de la physico-chimie du système considéré. Le problème de la simulation d'écoulements multiphasiques intéresse aussi bien le monde académique que le monde industriel. L'objectif de ce travail de thèse est donc d'implémenter les techniques numériques les plus récentes et de développer un code pour permettre la simulation de l'hydrodynamique de systèmes dispersés. Pour parvenir à ce but, il reste encore des problèmes algorithmiques importants à résoudre comme la prise en compte des effets thermocapillaires et thermosolutaux. Ces deux derniers points sont l'objet de cette thèse. / For several decades, an important scientific activity has focused on the numerical, theoretical and experimental hydrodynamics of drops. This work presents numerical results of a single droplet in the gravity field and in non-isothermal conditions. The simulation such a multiphase system is important in both academic and industrial world. This is particularly the case in the field of emulsions, wetting problems and evaporation. To achieve this goal, there are still important algorithmic problems due to the free moving interfaces and the description of capillary effects. Here, a Volume of Fluid technique has been implemented with high order temporal and spatial schemes to preserve the sharpness of the drop interface. The system under consideration is a simplified model consisting in a single water droplet in a continuous paraffin oil phase. These liquids are immiscible and non-compressible and the overall evolution is unsteady. Capillary contributions such as temperature and surfactant dependent surface tension are fully accounted for. This presentation is aimed to show the capabilities of VOF techniques for the simulations of unsteady multiphase systems in non-isothermal configurations. The role of the droplet initial position and temperature field is described with good numerical stability. There are still important problems remaining in the simulation of free interface systems with such a technique. Spurious currents induced by the description of capillarity can in particular come into play. But these latter can be controlled once the droplet average velocity due to drainage becomes large enough.