Generation, flow and manipulation of a microfoam
Micro-mousse : génération, écoulement et manipulation
Résumé
This thesis is on the edge of two domains: foam rheology and microfluidics. We present how to create a foam in a microfluidic channel system with a typical smallest dimension for the bubbles of 100 μm and we study its flow. After recalling the state of the art in two-phase microfluidics and 2D foam flows, we present the ensemble of experimental techniques that allow to produce the channel system and image the resulting flow. Then, we investigate microfluidic foam generation using the flow focusing technique. We measure the dependence of the foam properties (liquid fraction, topology) on the input parameters and geometry. We show that the rheology of the foam flow is very non-linear. The pressure-flow rate relation notably presents a threshold, a power law, and discontinuities related to topology transitions. We bring into evidence a retroactive effect of the flow in the channel on foam formation, that leads to a rich dynamical behaviour. We notably find an oscillation between different topologies that we relate to an instability that can either be advected, stationary or absolute. We eventually investigate a method to apply forces on the two-phase flow by ultrasound, to manipulate the foam externally.
Cette thèse se situe à la frontière de deux domaines : celui de la rhéologie des mousses et celui de la microfluidique. On présente comment créer une mousse dans un système microfluidique avec une taille minimale de bulle autour de 100 μm et on étudie son écoulement. Après un rappel de l'état de l'art en microfluidique biphasique et dans le domaine de l'écoulement de mousse 2D, on présente l'ensemble de techniques expérimentales qui permettent de produire le système microfluidique et d'imager l'écoulement résultant. Ensuite, on étudie la génération de mousse microfluidique avec la méthode du pincement liquide. On mesure la dépendance des propriétés de la mousse (fraction liquide, topologie) envers les paramètres de contrôle et la géométrie. Nous montrons que la rhéologie de l'écoulement est fortement non-linéaire. La relation pression-débit présente en effet un seuil, une loi de puissance et des discontinuités liés aux transitions de topologie. On met en évidence un effet rétroactif de l'écoulement dans le canal sur la formation de la mousse, qui entraîne un comportement dynamique très riche. On trouve notamment une oscillation entre différentes topologies reliée à une instabilité qui peut être de type advectif, stationnaire ou absolu. Finalement on étudie une méthode pour l'application de forces acoustiques sur un écoulement biphasique, afin de manipuler les bulles de la mousse depuis l'extérieur.
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