Nage par flambage de coque sphérique

par Abderrahmane Djellouli

Thèse de doctorat en Physique appliquée

Sous la direction de Catherine Quilliet et de Gwennou Coupier.

Soutenue le 15-06-2017

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Philippe Peyla.

Le jury était composé de Ramiro Godoy Diana, Arnout Imhof.

Les rapporteurs étaient Médéric Argentina, Douglas Holmes.


  • Résumé

    Les micronageurs et parmi eux les microangeurs artificiels sont en général, limités à exister dans des écoulements dominés par des forces visqueses. Ces écoulements sont caractérisés par un bas nombre de Reynolds (Re). Cela impacte la stratégie de nage et plus particulièrement les séquences de forme possibles, qui doivent nécessairement être non-réciproques dans l'espace de déformation pour espérer induire un déplacement net non-nul. De plus, due aux forts effets de traînée, les vitesses de nage sont limités à des valeurs faibles.Dans cette thèse, on examine la possibilité d'utiliser un mécanisme de nage basé sur l'instabilité de flambage d'une sphère creuse. Cette instabilité est provoquée en soumettant la sphère à une onde de pression. La particularité de ce mécanisme est qu'il satisfait par construction la condition nécessaire de nage à bas Reynolds exposée précédemment. De plus, la rapidité de la déformation lors de l'instabilité pousse à prévoir l'apparition d'effets inertiels, et ce même à l'échelle microscopique.Une étude expérimentale a été conduite à l'échelle macroscopique dans le but de comprendre la dynamique de l'instabilité et son impact sur le fluide qui entoure la coque creuse. Ces expériences nous permettent de montrer qu'un déplacement net non-nul est produit pour tous les régimes d'écoulements.On met en évidence le rôle de paramètres géométriques, des propriétés du matériau composant la coque creuse et de la rhéologie du fluide sur l'efficacité de la nage.On montre l'existence d'un optimum de déplacement net pour des valeurs intermédiaires du nombre de Reynolds. Pour expliquer cela, on se sert de mesures de PIV résolues temporellement pour mettre en évidence la présence d'effets d'histoire non-triviaux qui augmentent le déplacement net.On dérive un simple modèle en se basant sur les observations expérimentales pour montrer que ce régime optimal de nage est atteignable pour des sphères microscopiques, ceci est possible grâce l'activation rapide de l'instabilité. Cette propriété permet aussi une excitation à haute fréquence en utilisant des ultrasons. Une étude d'échelle nous permet de prédire une vitesse de nage de 1 cm/s pour un micro-robot contrôlé à distance. Cet ordre de grandeur de vitesse est idéal pour des applications biologiques comme la distribution ciblée de médicaments.

  • Titre traduit

    Swimming through spherical shell buckling


  • Résumé

    Microswimmers, and among them aspirant microrobots, are generally bound to cope with flows where viscous forces are dominant, characterized by a low Reynolds number (Re). This implies constraints on the possible sequences of body motion, which have to be nonreciprocal. Furthermore, the presence of a strong drag limits the range of resulting velocities.Here, we propose a swimming mechanism which uses the buckling instability triggered by pressure waves to propel a spherical hollow shell. The particularity of this mechanism is that it fulfills naturally the necessary condition of swimming at low Re. In addition, the swiftness of the instability might produce inertial effects even at the microscopic scale.With a macroscopic experimental model we show that a net displacement is produced at all Re regimes. We put in evidence the role of geometrical parameters, shell material properties and rheology of the surrounding fluid on the swimming efficiency.An optimal displacement is reached at intermediate Re. Using time-resolved PIV measurements, we explain that non-trivial history effects take place during the instability and enhance net displacement.Using a simple model, derived from the study of shell dynamics, we show that due to the fast activation induced by the instability, this regime is reachable by microscopic shells. The rapid dynamics would also allow high frequency excitation with standard traveling ultrasonic waves. Scale considerations predict a swimming velocity of order 1 cm/s for a remote controlled microrobot, a suitable value for biological applications such as drug delivery.


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