Ecole Doctorale

SCIENCES POUR L'INGENIEUR : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique

Spécialité

« Sciences pour l'ingénieur » : spécialité « Mécanique et Physique des Fluides »

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

Goutte,Simulation numérique,Viscosité interfaciale,Vésicule,Polymersome,Proche paroi

Keywords

Droplet,Numerical simulation,Interfacial viscosity,Vesicle,Polymersome,Near wall flow

Titre de thèse

Étude 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

Date

Vendredi 21 Décembre 2018 à 14:00

Adresse

IRPHE - UMR 7342 Technopôle de Château-Gombert 49, rue Joliot Curie - B.P. 146 13384 Marseille Cedex 13, France Salle de conférence

Jury

Directeur de these M. Marc LEONETTI CNRS / LRP
Rapporteur M. Chaouqi MISBAH CNRS / LIPhy
Rapporteur M. Hugues BODIGUEL INP ENSE3 / LRP
Examinateur Mme Emmanuelle RIO Université Paris-Sud / LPS
Examinateur M. Marc JAEGER Ecole Centrale Marseille / M2P2
CoDirecteur de these M. Gwenn BOëDEC Aix-Marseille Université / IRPHE

Résumé de la thèse

De nombreux systèmes fluides dans les domaines de la biologie, de l'agro-alimentaire, de la pharmacologie ou encore de la cosmétique sont limités par une interface dont les propriétés mécaniques régissent la stabilité de ces systèmes. 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. Ces propriétés sont contrôlées par la nature des matériaux qui composent l'interface: monocouche de surfactants, bicouche formée de lipides ou de copolymères. Les travaux présentés concernent l'étude numérique de la déformation (dynamique, transition, état stationnaire) de gouttes, vésicules et polymersomes 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 de ces objets et étudier leur comportement une fois plongés dans un écoulement. Dans cette optique, différentes stratégies de résolution numérique ont été développées pour optimiser les calculs dans le cas d'une interface avec viscosités. Ces travaux ont permis d'étudier l'influence des viscosités interfaciales sur la dynamique d'une goutte dans un écoulement extensionnel plan : en particulier, leur influence sur la dynamique de déformation d'une goutte et sur les conditions de rupture de celle-ci a été caractérisée. Les études réalisées sur une vésicule, goutte enrobée d'une bicouche lipidique, 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.

Thesis resume

Many fluid systems in biology, food technology, medical and cosmestic fields are constrained by an interface which mechanical properties lead the system stability. Objects like droplets, vesicles and polymersomes change their shape when immersed in a simple flow and lead to numerous spatial and temporal dynamics. These properties are controlled by the nature of interface material : surfactant mono-layer, lipid or co-polymer bi-layer. This work presents the numerical study of the deformation (dynamics, transition, steady state) of droplets, vesicles and polymersomes in a Stokes flow, especially in the case of leading surface viscosities influence. The numerical methods use coupling of boundary integrals and finite elements to describe the interfacial physics and study the behaviour of these objects when immersed in a flow. For this purpose, numerical strategies were developed to optimize the simulation in the case of an interface with viscosities. In 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 deformation dynamics of a droplet and on the conditions on breakup is characterized. A study on a very deflated vesicle in a shear flow shows a bifurcation between two co-existing shape types. These shapes have an influence on the dynamics of the vesicle under flow, which is studied in the case of an infinite flow and a near-wall flow. In the case of the dynamics of a polymersome in a shear flow, preliminary results allows us to build a phase diagram of the different behaviours of this particular object depending on the membrane viscosity and the shear rate.