Instabilités hydrodynamiques de fluides magnétiques en écoulements microfluidiques

by Guntars Kitenbergs

Doctoral thesis in Physique

Sous la direction de Andrejs Cebers et de Régine Perzynski.

defended on 16-07-2015

à Paris 6 en cotutelle avec Latvijas universitāte , under the authority of École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec PHysicochimie des Electrolytes et Nanosystèmes InterfaciauX (laboratoire) .

Le jury était composé de Georges Bossis, Agris Gailitis, Florence Elias, Isaak Rubinstein.


  • Résumé

    Ce travail explore expérimentalement en géométrie microfluidique, des instabilités sous champ de fluides magnétiques aqueux, aux propriétés bien caractérisées et dont les nanoparticules sont stabilisées électrostatiquement.La micro-convexion magnétique observée à l'interface miscible entre le fluide magnétique et l'eau est étudiée quantitativement dans une cellule de Hele-Shaw sous champ magnétique homogène, en particulier par vélocimétrie par image de particules. Les résultats sont comparés aux prédictions théoriques et à des simulations numériques. Au delà de la caractérisation des champs critiques, il est observé qu'une augmentation du champ H accélère la croissance des doigts, comme H2, tandis que la figure de digitation n'est pas modifiée. Une application au mélange en microfluidique est ici envisagée. L'étude de la micro-convexion a révélé une diffusion effective de coefficient beaucoup plus grand que celui des nanoparticules, tel que prédit par la formule de Stockes-Einstein ou obtenu par des mesures directes. Des explorations expérimentales montrent que cette diffusion effective provient d'un écoulement lié à la différence de densité des deux fluides. La diffusion semble influencée par les agents qui stabilisent les nanoparticules. Des gouttes de liquide magnétique concentré co-existant avec une phase diluée sont obtenues par séparation de phase induite par ajout de sel et/ou application d'un champ magnétique. Leur déformation sous champ permet de suivre l'évolution temporelle de la phase concentrée métastable. Dans un champ magnétique précessant à l'angle magique, les gouttes se comportent comme en champ tournant, sauf en ce qui concerne leur déformation initiale.

  • Alternative Title

    Hydrodynamic instabilities in microfluidic magnetic fluid flows


  • Résumé

    Magnetic field induced instabilities of magnetic fluids in microfluidic environment are investigated experimentally. Electrically stabilized water-based magnetic nanocolloids are used and throughout characterized.Magnetic micro-convection, observed at a miscible magnetic fluid-water interface in a Hele-Shaw cell in homogeneous field, is studied quantitatively and compared with theoretical predictions and numerical simulations, micro-convective flows being characterized by particle image velocimetry. Besides the critical field determination, it is shown that an increase of the magnetic field H speeds up the finger growth, which scales as H2, while the size of the fingering pattern is not changed. An application towards mixing enhancement in microfluidics is considered.The micro-convection study reveals a much larger effective diffusion coefficient of the nanoparticles than expected from Stokes - Einstein relation and standard determinations. Investigations with the same setup and with continuous microfluidics show that the effective diffusion mostly arises from a flow induced by the density difference between the miscible fluids. Additionally, the diffusion coefficient seems to be influenced by the particle stabilizing agents.Drops of a concentrated magnetic phase in co-existence with a dilute one are formed by phase separation after salt addition to the magnetic fluid and/or the application of a magnetic field. Their under-field shape deformations allow investigating the time evolution of the concentrated phase. Experiments show that in a precessing field at magic angle, the drops behave as in a rotating field except the initial shape deformation before quick elongation.


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