Caractérisations expérimentale et numérique de l'écoulement et du transfert de matière dans des micromélangeurs

par Nassim Ait Mouheb

Thèse de doctorat en Sciences pour l'ingénieur. Génie des procédés


  • Résumé

    Les travaux de recherche présentés dans ce manuscrit concernent la caractérisation numérique et expérimentale de l'hydrodynamique et du transfert de matière au sein de micromélangeurs de géométrie en T et en croix, de section carrée et de côté égal à 400 µm, dans le dessein d'identifier les configurations d'écoulement et les géométries permettant une intensification du mélange entre des liquides. Dans une première partie, la caractérisation de la topologie de l'écoulement au sein des micromélangeurs a été étudiée. Des calculs numériques ont été effectués afin d'obtenir des informations préliminaires sur l'écoulement et de prévoir les tendances susceptibles d'être rencontrées lors des mesures expérimentales. Deuxièmement, une analyse de l'hydrodynamique est réalisée à partir des méthodes PIV et polarographique. La PIV a permis d'observer l'évolution de l'écoulement et le développement de structures tourbillonnaires le long des microcanaux de sortie. Les mesures du gradient pariétal de vitesse et leurs spectres, par méthode polarographique, ont permis la caractérisation des régimes d'écoulement et leurs répartitions énergétiques. Dans une seconde partie, le transfert de matière a été étudié à l'aide de simulations numériques et de la méthode CLSM. Les profils de concentration, en fonction des régimes d'écoulement, ont permis de comparer les deux configurations et de démontrer que la géométrie en croix a tendance à intensifier le mélange et cela à partir de débits plus faibles que dans la géométrie en T. L'amélioration apportée par le micromélangeur en croix est attribuée à l'étirement plus marqué des structures tourbillonnaires, ce qui réduit les longueurs de transfert.

  • Titre traduit

    Numérical and experimental characterization of the flow and mass transfer in micromixers


  • Résumé

    The research work presented in this thesis deals with the numerical and experimental characterization of the flow and mass transfer in the T-shape and cross-shape micromixers. The square section of channel is equal to 400 µm. The aim is to intensify the liquid mixing by the flow patterns and channel geometries. In the first part of study, the characterization of the flow topology within the micromixers was performed numerically and experimentally. CFD allowed to obtain preliminary information about the flow regimes and to predict trends that could be encountered during the experimental measurements. Secondly, an analysis of the flow is performed using the PIV and polarographic methods. The PIV allowed to characerise the flow evolution and the vortex appearance along the outlet microchannels. The wall shear rate measurements characterized locally the formation of swirling flows. In the second part, the mass transfer within both micromixers has been studied using the CFD and confocal laser scanning microscopy methods. The concentration profiles, based on flow regimes were used to compare both configurations. The cross-shape micromixer tends to intensify the mixing in comparison to the T shape. The improvement made by the cross geometry is attributed to the stronger vortex stretching and high shear rate, which reduces the transfer length.

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  • Détails : 1 vol. (196 f.)
  • Annexes : Bibliogr. f. 189-196

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  • Cote : 2010NANT2006
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