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 digitation visqueuse est une instabilité hydrodynamique apparaissant lorsque, dans un milieu poreux, un fluide moins visqueux déplace un fluide plus visqueux. L’objectif de notre thèse est l’étude expérimentale des propriétés des motifs de digitation lorsque l'échantillon de fluide visqueux est de taille finie et lorsqu'une réaction chimique modifie la viscosité dans un milieu poreux modèle, en l’occurrence une cellule de Hele-Shaw. En particulier, notre étude a permis de quantifier la contribution de dispersion et de la digitation visqueuse à l’étalement dans l’espace d’échantillons de taille finie en fonction des paramètres expérimentaux (contraste de viscosité, vitesse de déplacement et taille de l’échantillon). Pour les fluides réactifs, nous analysons la digitation induite par une réaction A + B → C dont le produit C est plus visqueux que les réactifs A et B, ceux-ci ayant la même viscosité. Nous mettons en évidence l’effet des concentrations en réactifs, du choix du fluide vecteur et du débit d’injection sur le motif de digitation.

La combustion pré mélangée a été depuis longtemps un domaine vaste d’étude au niveau appliqué et fondamental. Bien que la plupart des applications industrielles en combustion aient lieu dans des régimes turbulents, le passage par l’étude laminaire est indispensable pour comprendre les mécanismes fondamentaux des flammes turbulentes. Ce travail de thèse porte essentiellement sur l’étude des différentes instabilités agissant sur un front de flamme laminaire de pré mélange pour des mélanges de propane-air et méthane-air, enrichis ou non en azote. L’étude consiste à mesurer les taux de croissance des perturbations dans un brûleur d’Hele-Shaw formé par deux plaques de verre ($150\times50cm$) très rapprochées (brûleur 2D). Grâce à un système de forçage constitué par des plaques modulées spatialement avec différentes longueurs d’onde, le taux de croissance peut être mesuré même en présence du développement spontané de l’instabilité avec la longueur d’onde la plus instable. A richesse constante et pour des valeurs croissantes de la dilution en oxygène le vecteur d'onde de coupure augmente avec la vitesse de flamme qui devient plus instable. Pour des mélanges de propane ce nombre d’onde augmente également lorsqu'on augmente la richesse à vitesse constante et il diminue dans le cas des mélanges de méthane, cela est en relation avec l'évolution des effets thermodiffusifs dans chacun des cas. Une augmentation de l’épaisseur de la cellule d’Hele-Shaw, aboutit à une augmentation du taux de croissance pour les petits nombres d’onde ainsi que du nombre de Markstein, et à une diminution du taux de croissance pour les grands nombres, du fait des effets des pertes thermiques. / Premixed combustion has been the subject of extensive work, concerning both applications and fundamental aspects. Although in most practical applications combustion occurs in a turbulent environment, the study of laminar flames is important to understand the fundamental mechanisms of turbulent flame propagation. The objective of this work is to study the various instabilities acting on a laminar premixed flame for mixtures of propane-air and methane-air, enriched or not with nitrogen. it consists in measuring the linear growth rates of disturbances in a Hele-Shaw burner formed by two glass plates ($150\times50cm$) separated by a thin gap width (2D burner). Using spatially modulated plates with different wavelengths, the linear growth rate of perturbations can be measured even in the presence of the most unstable wavelength. The experimental values of the linear growth rate as a function of wavenumber are fitted by a linear dispersion relation to estimate the Markstein number and the cutoff wavenumber. For a constant equivalence ratio with increasing values of the dilution in oxygen, the cutoff wavenumber grows with the flame velocity and it is becoming more unstable. The cutoff wave number rises also when the equivalence ratio increases for propane-air mixture and decreases for methane-air mixture, in relation to the evolution of thermal diffusive effects. An enlargement in the thickness of the Hele-Shaw cell results in an increase of the growth rate for small wavenumbers thus in the Markstein number, and in a decline in the growth rate for the large wavenumbers, in relation with the effects of heat losses.

La digitation visqueuse est une instabilité hydrodynamique apparaissant lorsque, dans un milieu poreux, un fluide moins visqueux déplace un fluide plus visqueux. L'objectif de notre thèse est l'étude expérimentale des propriétés des motifs de digitation lorsque l'échantillon de fluide visqueux est de taille finie et lorsqu'une réaction chimique modifie la viscosité dans un milieu poreux modèle, en l'occurrence une cellule de Hele-Shaw. En particulier, notre étude a permis de quantifier la contribution de dispersion et de la digitation visqueuse, l'étalement dans l'espace d'échantillons de taille finie en fonction des paramètres expérimentaux (contraste de viscosité, vitesse de déplacement et taille de l'échantillon). Pour les fluides réactifs, nous analysons la digitation induite par une réaction A + B C dont le produit C est plus visqueux que les réactifs A et B, ceux-ci ayant la même viscosité. Nous mettons en évidence l'effet des concentrations en réactifs, du choix du fluide vecteur et du débit d'injection sur le motif de digitation. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La propagation d'un front de réaction-diffusion est étudiée expérimentalement dans un écoulement cellulaire multiéchelle. Le front est produit par réaction autocatalytique en solution. L'écoulement est réalisé en géométrie de Hele-Shaw par électroconvection, son caractère multiéchelle étant réalisé par l'action combinée de deux nappes d'aimants d'échelles différentes. La géométrie du front et sa vitesse moyenne de propagation sont déterminées pour une large gamme d'intensité des vortex de chaque échelle. Elles sont confortées par une simulation numérique de l'avancée du domaine brulé dans le domaine frais. L'effet de la nature multiéchelle de l'écoulement sur la vitesse moyenne du front est compris par une méthode de renormalisation dont la validation est fournie par l'obtention d'un courbe maitresse pour l'ensemble des données. / The propagation of a reaction-diffusion front is experimentally studied in a multi-scale cellular flow. The front is produced by an autocatalytic chemical reaction in an aqueous solution. The flow is generated by electroconvection and its multi-scale nature is induced by overlaying magnets of different scales. This enables an independent tune of the flow intensity at each scale. The geometry and the mean velocity of the front have been determined over a large range of scale intensities. These features are confirmed by a numerical simulation based on a burnt and fresh domain dynamics, the burnt domain expanding across the fresh one. The effect of the multi-scale nature of the flow on the mean front velocity is recovered by a renormalisation method validated by a collapse of the data onto a single curve.

L'étude décrite dans cette thèse porte sur l'injection ponctuelle d'une solution saline au sein d'une cellule dite de Hele-Shaw, afin de caractériser le comportement dispersif d'un polluant en milieu poreux. L'approche expérimentale employée est basée sur l'implémentation originale d'un dispositif de Fluorescence Induite par Laser (LIF) dans la cellule. La mise en place d'un protocole de mesure efficace permet de mener une analyse quantitative des résultats expérimentaux. En outre, en appliquant la méthode des moments, il est possible de caractériser avec précision le comportement dispersif de la zone de mélange de la solution injectée. Parallèlement aux expériences, à l'aide du code numérique FRIPE, les injections ont été simulées numériquement. L'analyse quantitative a été appliquée à ces dernières. Une comparaison poussée des résultats expérimentaux et numériques a donc été effectuée, du point de vue qualitatif mais aussi sur l'expression de la dispersion du panache de la zone de mélange de la solution / The study described in this thesis is about punctual injection of a saline solution inside a "Hele-Shaw cell" in order to characterize the dispersive behavior of a pollutant in porous media. The chosen experimental approach is based on the setup of an original Laser Induced Fluorescence (LIF) in the Hele-Shaw cell. The setting of the experimental apparatus allows quantitative data reduction of the experimental results. Moreover the "Moments Method" studied precisely the solution mixing dispersive behavior. Using the numerical code FRIPE the same injections have been simulated. The same quantitative data reductions have been applied to the numerical results. This led to an extensive comparison of the numerical and the experimental results, qualitatively but also of the dispersion in the mixing area of the injected solution

La dispersion de particules par une onde de souffle ou de choc induit la formation de structures régulières qui prennent la forme de jets de particules. Jusqu'à présent, les expériences n'ont été réalisées qu'en trois dimensions rendant difficile l'exploitation des données. Dans cette étude, une onde de souffle, générée à l'extrémité d'un tube à choc, débouche au centre d'un anneau de particules solides initialement confiné dans une cellule de Hele-Shaw. Pour la première fois, à partir d'une expérience de laboratoire, la formation de jets de particules est observée dans une configuration quasi bi-dimensionnelle et pour de faibles niveaux de pression. Grâce à un système de visualisation ultra-rapide, il a été mis en évidence que la sélection du nombre de jets de particules est un processus instationnaire. Nous avons observé que les jets de particules sont initialement formés à l'intérieur de l'anneau et sont ensuite expulsés à l'extérieur du front de particules en expansion. L'influence de nombreux paramètres, tels que la densité et le diamètre des particules, la surpression générée et la géométrie de l'anneau, ont été étudiées. La synthèse des résultats expérimentaux obtenus a permis d'établir certaines relations empiriques reliant le nombre de jets aux propriétés initiales. De plus, la formation de fines perturbations sur le front externe de la couche de particules a été observée. Ce phénomène est quant à lui indépendant des jets principaux et dépend seulement de la nature des particules. / The dispersion of particles by a blast or a shock wave induces the formation of coherent structures which take the form of particle jets. All the experiments conducted so far have been performed in three-dimensional geometry. In the present study, a blast wave, issuing from the discharge of a planar shock wave at the exit of a conventional shock tube, is generated in the center of a granular medium ring initially confined inside a Hele-Shaw cell. With the present experimental set-up, under impulsive acceleration, a solid particle jet formation is clearly obtained and observed in a quasi-two-dimensional configuration, for the first time. From fast flow visualizations, we highlighted that the selection of the number of jets is unsteady. We noticed, in all instances, that the jets are initially generated inside the particle ring and thereafter expelled outward. This point has not been observed in three-dimensional experiments. The influence of many parameters such as density and diameter of particles, the generated pressure and the geometry of the ring, has been studied. Empirical relationships were deduced from the experimental curves. Moreover, we observed in detail the formation of very thin perturbations created around the external surface of the dispersed particle layer. This phenomenon is independent of the main jet formation and solely depends on the nature of particles.

Ce manuscrit décrit analytiquement et numériquement les instabilités d'un fluide magnétique dans une cellule de Hele-Shaw. On considère l'interface entre un fluide magnétique et un autre fluide non magnétique, miscible ou non, soumise à un champ magnétique homogène normal à la cellule ou à l'interface. Le champ démagnétisant est inhomogène à cette interface et génère un mouvement convectif des fluides. Dans la première partie, nous avons utilisé une analyse linéaire de stabilité entre deux liquides miscibles pour une distribution donnée de concentration à l'interface. Les résultats s'appliquent aussi à la stabilité d'un réseau de concentration induit par une expérience de Rayleigh forcé. Nous avons démontré que l'équation de Brinkman décrit mieux la dissipation visqueuse dans une cellule de Hele-Shaw que celle de Darcy. Nous avons trouvé que la viscosité (et non la diffusion massique) donnait à l'écoulement une échelle de longueur de l'ordre de l'épaisseur de la cellule dans le cas des forçages élevés. Dans la seconde partie de notre étude, nous avons modélisé la dynamique non linéaire de l'interface avec une tension superficielle par la méthode des intégrales de frontière. Nous avons décrit la modification des doigts de Saffman–Taylor par les forces magnétostatiques. Nous avons obtenu des structures dendritiques proches de celles observées expérimentalement et analysé quelques aspects de la formation des motifs.

Cette thèse expérimentale s’inscrit dans le domaine des sciences séparatives et se base sur la technique de SPLITT (SPLIT-flow Thin fractionation). Son objectif consiste en l’étude des mécanismes qui sont à l’origine de la séparation, en continu et sans membrane, d’objets de taille micrométrique dans des mini-séparateurs fluidiques (Step-SPLITT). Les expériences menées, en laboratoire et lors de vols paraboliques, ont révélé le couplage complexe comme l’influence des effets hydrodynamiques et du champ gravitationnel sur la migration transverse des espèces en écoulement. Des visualisations tridimensionnelles par holographie digitale ont corroboré nos résultats et dévoilé des comportements inattendus. Les capacités séparatives des Step-SPLITT ont rendu possible l’analyse et la séparation d’objets biologiques et biomimétiques. Enfin, cette étude complétée par une modélisation tridimensionnelle de l’écoulement nous a permis de mettre au point un nouveau prototype de séparateur. This experimental thesis belongs to the field of separative sciences and is based on the SPLITT technique (SPLIT-flow Thin fractionation). The objective is to study the mechanisms that are at the origin of continuous and membraneless separation of micron-size species in mini fluidic separators (Step-SPLITT). Experiments undertaken in laboratory and during parabolic flights revealed the complex coupling of the hydrodynamic effects and the gravitational field influencing the transverse migration of the flowing species. Three-dimensional visualizations performed by digital holography confirmed our results and disclosed unexpected behaviours. The separation capacities of Step-SPLITT made the analysis and the separation of biological and biomimetic species possible. In addition this study in conjunction with a three-dimensional flow modelling enabled us to develop a new prototype of separator.

Cette thèse expérimentale s’inscrit dans le domaine des sciences séparatives et se base sur la technique de SPLITT (SPLIT-flow Thin fractionation). Son objectif consiste en l’étude des mécanismes qui sont à l’origine de la séparation, en continu et sans membrane, d’objets de taille micrométrique dans des mini-séparateurs fluidiques (Step-SPLITT). Les expériences menées, en laboratoire et lors de vols paraboliques, ont révélé le couplage complexe comme l’influence des effets hydrodynamiques et du champ gravitationnel sur la migration transverse des espèces en écoulement. Des visualisations tridimensionnelles par holographie digitale ont corroboré nos résultats et dévoilé des comportements inattendus. Les capacités séparatives des Step-SPLITT ont rendu possible l’analyse et la séparation d’objets biologiques et biomimétiques. Enfin, cette étude complétée par une modélisation tridimensionnelle de l’écoulement nous a permis de mettre au point un nouveau prototype de séparateur.<p><p>This experimental thesis belongs to the field of separative sciences and is based on the SPLITT technique (SPLIT-flow Thin fractionation). The objective is to study the mechanisms that are at the origin of continuous and membraneless separation of micron-size species in mini fluidic separators (Step-SPLITT). Experiments undertaken in laboratory and during parabolic flights revealed the complex coupling of the hydrodynamic effects and the gravitational field influencing the transverse migration of the flowing species. Three-dimensional visualizations performed by digital holography confirmed our results and disclosed unexpected behaviours. The separation capacities of Step-SPLITT made the analysis and the separation of biological and biomimetic species possible. In addition this study in conjunction with a three-dimensional flow modelling enabled us to develop a new prototype of separator. / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished