Etude numérique de la dynamique sous écoulement de gouttes et vésicules avec viscosités de surface

Numerical study of the dynamics of droplets and vesicles with surface viscosities under flow

• Auteur / Autrice : Maximilien Degonville
• Direction : Marc Leonetti, Gwenn Boëdec
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et physique des fluides
• Date : Soutenance le 21/12/2018
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche sur les Phénomènes Hors Equilibre (IRPHE) (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Marc Jaeger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuelle Rio
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hugues Bodiguel, Chaouqi Misbah

Mots clés

Mots clés contrôlés

Stokes, Théorème de

Dynamique des fluides

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Goutte

Simulation numérique

Viscosité interfaciale

Vésicule

Polymersome

Proche paroi

Vesicles

Droplets

Surface viscosity

Stokes flow

Numerical simula- tion

Boundary integral method

Résumé

De nombreux systèmes fluides dans les domaines de la biologie ou encore de la cosmétique sont limités par une interface dont les propriétés mécaniques régissent la stabilité. En particulier, les objets tels que des gouttes, vésicules ou polymersomes se déforment dans un écoulement simple et mènent à une grande richesse de dynamiques spatio-temporelles contrôlées par la nature des matériaux qui composent l'interface. Les travaux présentés concernent l'étude numérique de la déformation de ces objets dans un écoulement de Stokes, en particulier dans des situations où les viscosités de l'interface jouent un rôle important. Un code de calcul couplant intégrales de frontières et éléments finis a été utilisé afin de décrire la physique interfaciale et étudier leur comportement une fois plongés dans un écoulement. Ces travaux ont permis d'étudier l'influence des viscosités interfaciales sur la dynamique d'une goutte dans un écoulement extensionnel plan, leur influence sur sa dynamique de déformation et sur les conditions de rupture de celle-ci. Les études réalisées sur une vésicule fortement dégonflée et plongée dans un écoulement cisaillé ont caractérisé la bifurcation entre les deux familles de forme existantes dans ces conditions. Ces formes ayant une influence sur la dynamique de la vésicule dans l'écoulement, celle-ci a été étudiée dans le cadre d'un écoulement infini puis proche d'une paroi parallèle à l'écoulement. Enfin, de premiers résultats sur la dynamique d'un polymersome dans un écoulement cisaillé permettent de construire un diagramme de phase illustrant les différents comportement de cet objet en fonction de la viscosité de la membrane et du taux de cisaillement

There are many fluid systems in the biology, food industry, pharmacology or cosmestics fields that are bound by an interface which mechanical properties rule the system stability. Objects like droplets, vesicles or polymersomes change their shape in a simple flow which lead to a wealth of space and time dynamics. These properties are controlled by the nature of the interface material. The aim of this work is the numerical study of the deformation of droplets, vesicles and polymersomes in a Stokes flow, especially when the interfacial viscosities play an important role. A numerical computation code coupling boundary integrals and finite elements was used to describe the interfacial physics of these objects and study their behaviour when immerged in a flow. Multiple resolution strategies where developped to this end in order to optimize the numerical computation in the cas of an interface with viscosities.Using this work, the influence of interfacial viscosities on the dynamics of a droplet in an extensional flow is studied : in particular, their influence on the stretching dynamics of a droplet and its break up conditions was characterized. The study of a vesicle, droplet bounded by a lipid bilayer, strongly deflated and immerged in a shear flow detailed the bifurcation between two shape types existing for this system. These shapes have an influence on the vesicle dynamics under flow, which is studied for an unbounded flow and a near-wall flow. Finally, we show first results about the dynamics of a polymersome in a shear flow. We used them to build a phase diagram for the behaviour of this object depending on the membrane viscosity and the shear rate