Blocage de microcanaux par des particules micrométriques en écoulement : simulations numériques et expériences à l'échelle locale

par Gbedo Constant Agbangla

Thèse de doctorat en Génie des procédés et de l'environnement

Sous la direction de Patrice Bacchin et de Éric Climent.

Soutenue en 2011

à Toulouse 3 .

mots clés

• Microcanaux
• Simulation numérique
• Colmatage
• Interactions hydrodynamiques
• Particules micrométriques
• Suspension
• Interactions colloïdales
• Dépôt
• Simulation par ordinateur
• Écoulement laminaire
• Microfluidique
• Interfaces gaz-liquide

Résumé

L'objectif scientifique de cette étude consiste en l'analyse des mécanismes hydrodynamiques et physico-chimiques conduisant à la capture de particules et au colmatage de systèmes de filtration. Expérimentalement, des microsystèmes en poly-diméthylsiloxane (PDMS) ont été utilisés pour une observation directe du colmatage des microcanaux (20µm de largeur) par des microparticules (5µm de diamètre). Les expériences de filtration effectuées montrent la formation de différentes structures de dépôts de particules en fonction des conditions de filtration (concentration de particules, vitesse d'écoulement de la suspension, interactions de surface). Un flux critique conduisant à la formation de dépôts a été déterminé pour une suspension de particules stables. La dynamique de formation des structures 3D de microparticules dans des microcanaux a également été étudiée par simulation numérique directe. La Force Coupling Method a été utilisée pour coupler le mouvement des particules et l'écoulement du fluide porteur. Cette méthode a permis de combiner les interactions hydrodynamiques directes avec les interactions de surface multicorps (adhésion, non-recouvrement, attraction-répulsion) lors de la simulation d'agrégation des microparticules en écoulement. Pour différentes fractions solides de particules, la cinétique de colmatage reliée à l'évolution temporelle de la perméabilité des microcanux a été analysée en présence et en absence des interactions physico-chimiques au moyen de la théorie DLVO. Le couplage étude expérimentale et simulations permet de mieux comprendre les mécanismes de dépôt, d'agrégation et de bridging apparaissant lors du colmatage des microcanaux.

Titre traduit

Microchannel blocage by a flowing suspension of particles : numerical simulations and experiments at the microscopic scale

Résumé

The scientific challenge of this work consists in determining the relevant hydrodynamic and physical-chemical mechanisms controlling the capture of particles and the clogging of filters. Experimentally, we have carried out experiments in poly-dimethylsiloxane (PDMS) devices which allow a direct and dynamic observation of the clogging of microchannels (20µm wide) by micrometric particles (5µm in diameter). The results highlight the formation of different 3D clogging patterns according to the filtration conditions (particle concentration, fluid velocity, physical-chemical properties of the suspension). Besides, we have clearly determined a critical particulate flux leading to the deposition of stable particles. Beside the experimental study, the dynamic formation of 3D structures of microparticle aggregates blocking the flow through straight microchannels is investigated by means of direct numerical simulations of both particles and fluid. The Force Coupling Method is then used to handle simultaneously multi-body hydrodynamic interactions of a confined flowing suspension together with particles and walls surface interactions leading to the adhesion and aggregation of particles. For several solid volumetric fractions, the kinetics of the microchannel occlusion related to the temporal evolution of the bulk permeability of the channel is investigated emphasizing the effect of DLVO forces (particle-particle and particle-wall interactions). Coupling experimental and numerical results helps understanding deposition mechanisms such as interception and bridging during pore fouling events.