Transport et déformation des fibres flexibles en géométries complexes

Transport and deformation of flexible fibers in structured environments

• Auteur / Autrice : Ursy Makanga
• Direction : Camille Duprat, Blaise Delmotte
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie, mécanique et énergétique
• Date : Soutenance le 11/09/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Hydrodynamique de l'École polytechnique (Palaiseau, Essonne) - Laboratoire d'hydrodynamique / LadHyX
• Jury : Président / Présidente : Olivia Du Roure
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Camille Duprat, Blaise Delmotte, Ian Griffiths, Thomas D. Montenegro-Johnson, Anne Juel, Basile Audoly
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ian Griffiths, Thomas D. Montenegro-Johnson

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matrices de Stokes

Modélisation CFD

Interaction fluide-structure

Mots clés libres

Fibres flexibles

Environnements munis d'obstacles

Interactions fluide-Structure

Ecoulements de Stokes

Sédimentation

Modélisation numérique

Flexible fibers

Structured media

Fluid-Structure interactions

Stokes flow

Sedimentation

Numerical modeling

Résumé

Les fibres flexibles se rencontrent dans diverses situations dans la nature et les applications industrielles. Parmi lesquelles on trouve des fibres de microplastiques, des fibres de cellulose et des structures filamenteuses résultant de colonies bactériennes dites “biofilms". Dans la plupart des cas, les fibres flexibles sont généralement immergées dans des environnements fluidiques qui sont munis d'obstacles. A titre d'exemple, les lave-linge rejettent un grand nombre de fibres de microplastiques (environ 1900 fibres par lavage) dans des eaux usées contenant plusieurs débris. Dans de tels environnements complexes, les fibres peuvent adopter différentes formes non triviales et se déplacer suivant différents modes à travers les obstacles environnants. Ces différents comportements résultent du couplage complexe entre la réponse élastique des fibres, les collisions et les interactions hydrodynamiques. Leur compréhension est par conséquent essentielle pour l'étude des systèmes biologiques, environnementaux et industriels, où des phénomènes similaires sont observés, de même que pour éviter des problèmes majeurs comme la pollution ou le colmatage. Au cours des dernières décennies, la modélisation des particules élancées immergées dans un fluide visqueux a été un domaine majeur de recherche en mécanique des fluides. Cependant, le développement des modèles numériques permettant de prendre en compte des environnements munis d'obstacles a été peu abordé. Le problème raide à résoudre sous contraintes qui en résulte en est une des raisons. Modéliser des fibres dans de tels environnements est un défi majeur pour les approches numériques actuelles.Ainsi, dans cette thèse, nous proposerons une méthodologie pour simuler des fibres flexibles dans des environnements fluidiques munis d'obstacles. Notre implémentation permet de simuler des systèmes contenant un nombre considérable de fibres et d'obstacles en des temps raisonnables sur une seule carte graphique (GPU). Forts de cet outil, et d'expériences simples, nous étudierons ensuite le problème de sédimentation des fibres flexibles dans des environnements complexes. Nos résultats jettent les bases pour de futures expériences et fournissent des ingrédients physiques essentiels pour la conception des dispositifs de tri de particules sous l'action de la gravité.

Flexible fibers are encountered in various situations in nature and industrial applications. Examples include microplastics fibers, cellulose fibers, and biofilm streamers. In a wide range of such situations, flexible fibers are often immersed in a fluidic environment with obstacles embedded. For instance, laundry washing machines discharge a large number of microplastics fibers (around 1900 fibers per wash) into wastewaters which contain a significant amount of debris. In such complex media, flexible fibers can exhibit nontrivial conformations and different modes of transport through the surrounding obstacles. These dynamics result from the complex interplay between their elastic response, collisions and hydrodynamic interactions. Understanding of these phenomena is therefore essential to study the physics of biological, environmental and industrial systems, but also to prevent issues such as pollution or clogging. While modeling slender particles in viscous fluids has been a major area of research over the past few decades, methodologies involving surrounding environments are scarce. The resulting complex coupling leads to a constrained formulation of the problem in addition of being stiff. Therefore, modeling fibers in complex media is challenging and can be computationally costly.In this thesis, we will propose a methodology to model flexible fibers in different environments that are made of rigid stationary obstacles. Our implementation enables dynamic simulations of large systems in a reasonable wall times on a single modern Graphics Processing Unit (GPU). Using the capabilities afforded by our method, together with simple experiments, we will investigate the sedimentation of flexible fibers in structured environments. The resulting findings provide physical insight into future experiments and the design of gravity-based sorting devices.