Soutenance de thèse de SCOLLO Simone

Résumé de la thèse

Cette thèse explore les propriétés de mélange du "soft mixer", un bioréacteur rotatif conçu pour le mélange de fluides à faible cisaillement, particulièrement adapté à la culture de cellules fragiles telles que les dinoflagellés et les cellules souches. L'appareil est constitué d'un cylindre rotatif rempli de fluide, où la hauteur du fluide est cruciale pour atteindre un mouvement résonnant qui améliore le mélange sans imposer un cisaillement élevé.
Un problème observé était l'exposition lumineuse sous-optimale à l'intérieur du réacteur, ce qui affectait la croissance des dinoflagellés. Pour remédier à cela, la géométrie du bioréacteur a été modifiée en une configuration annulaire, introduisant le rayon du cylindre intérieur comme nouveau paramètre. Des études expérimentales et théoriques, utilisant la vélocimétrie par imagerie de particules (PIV) pour l'analyse de l'écoulement, ont vérifié l'impact de cette modification sur la stabilité de l'écoulement et le comportement du mélange. La fluorescence induite par laser (LIF) pour tracer la dispersion de colorant et mesurer l'efficacité du mélange en fonction de l'angle d'inclinaison et du nombre d'Ekman.
De plus, une nouvelle méthode numérique, appelée méthode Diffuselet (P. Meunier & E. Villermaux, J. Fluid Mech. 951, 2022), a été utilisée pour calculer l'évolution d'un champ scalaire passif au sein d'un champ d'écoulement prescrit. L'avantage de cette méthode réside dans la possibilité de l'appliquer à des paramètres pratiquement inaccessibles aux simulations DNS. En effet, en utilisant la transformation de Ranz (Ranz, AiChE J., 1979) pour coupler l'advection avec la diffusion moléculaire, il est possible de rendre compte explicitement (et presque exactement) de l'historique d'étirement de chaque élément fluide individuel. Les caractéristiques de mélange (temps de mélange, distribution des concentrations et décroissance de la variance) sont capturées statistiquement avec des traceurs lagrangiens pour obtenir une statistique globale du mélange en fonction des contributions des différentes sous-régions du flux. Nous avons appliqué cette méthode au soft mixer, dont le champ d'écoulement non trivial est néanmoins décrit analytiquement. Le modèle est testé par rapport aux observations expérimentales à l'aide de la méthode LIF. Cette approche permet d'obtenir des statistiques expérimentales pour les comparer avec les résultats numériques. La méthode Diffuselet prédit correctement la variance et les fonctions de distribution de probabilité (PDF).
Enfin, le cas d'un fluide stratifié dans un soft mixer a été étudié expérimentalement. Plusieurs bandes d'instabilités ont été observées pour des valeurs spécifiques du nombre de Froude, qui peuvent être prédites théoriquement.