Dynamique de fibres libres transportées par un écoulement visqueux en milieux confinés : influences de la géométrie et de la flexibilité

Dynamics of freely transported fibers in confined viscous flows : Role of shape and flexibility

• Auteur / Autrice : Jean Cappello
• Direction : Anke Lindner, Olivia Du Roure
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 24/01/2020
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physique et mécanique des milieux hétérogènes (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Simon Haward
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anke Lindner, Olivia Du Roure, Simon Haward, Cécile Cottin-Bizonne, Luca Brandt, Howard A. Stone
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cécile Cottin-Bizonne, Luca Brandt

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrogels

Microfluidique

Flambage (mécanique)

Élasticité

Écoulement visqueux

Hydrodynamique

Interaction fluide-structure

Mots clés libres

Flexibilité

Forme

Propriétés mécaniques

Flexibility

Buckling shape

Mechanical properties

Résumé

Dans ce travail nous nous intéressons à la dynamique d'un système model, constitué d'une fibre libre transportée par un écoulement visqueux dans une cellule de Hele-Shaw. La hauteur de la fibre est similaire à la hauteur du canal et dans cette géométrie très confinée le transport de fibre présente des propriétés spécifiques. En raison du frottement visqueux avec les murs supérieur et inférieur du canal, la fibre agit comme un obstacle amovible et perturbe l'écoulement. Ces perturbations sont à l'origine de l'anisotropie des forces de trainée qui amènent à la dérive et aux oscillations de l'objet entre les murs latéraux du canal. La question à laquelle ce travail répond est la suivante : comment varie la dynamique de transport d'une fibre initialement droite et rigide lorsque celle-ci est transformée en un objet plus complexe ? Ainsi nous étudions le transport de fibres flexibles en géométries confinées en nous concentrant sur les cas de fibres orientées perpendiculairement et parallèlement par rapport à l'écoulement. Les fibres perpendiculaires se courbent, nous montrons que la flèche est proportionnelle à un nombre élasto-visqueux et nous caractérisons quantitativement l'influence du confinement sur la déformation. Les fibres parallèles se déforment en une forme ondulée et nous mettons en évidence l'existence d'un seuil d'instabilité. Afin de compléter cette étude nous varions la géométrie de la fibre en ajoutant un bras supplémentaire afin d'obtenir une fibre rigide en forme de L. Cet objet subit une rotation jusqu'à une orientation d'équilibre suivie d'une dérive lors de laquelle la fibre s'approche d'un mur latéral du canal avec lequel elle finit par interagir.

We study the dynamics of a model system constituted by a fiber freely transported in pressure-driven flows in a Hele-Shaw cell. Fiber height is comparable to channel height and in this confined geometry the fiber transport shows specific characteristics. Due to viscous friction with top and bottom walls transported particles act as moving obstacles and induce strong flow perturbations. These perturbations are at the origin of anisotropic friction forces leading to lateral drift and oscillatory movement between lateral walls. In this work, we ask how the transport dynamics are perturbed when going from an initially straight and rigid particle to a more complex object. Two approaches have been studied here: we add flexibility to the object and focus our investigations on the deformation of perpendicular and parallel fibers during their transport by an external viscous flow. Fibers perpendicular to the flow will bend while parallel fibers can deform in a wavy shape. We show that the bending of the perpendicular fiber is proportional to an elasto-viscous number and we fully characterize the influence of the confinement on the deformation of the fiber. Experiments on parallel flexible fibers reveal the existence of an instability threshold. Complementary, we also choose to change the shape of the fiber by adding an additional arm and forming an L shaped fiber. This induces fiber rotation until a stable equilibrium orientation is reached. Lateral drift is then observed until interaction with side walls becomes important. Tuning the fiber asymmetry allows for a precise control of particle trajectories, including the approach of side walls.