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Écoulements liquide-gaz, évaporation, cristallisation dans les milieux micro et nanoporeux. Etudes à partir de systèmes modèles micro et nanofluidiques

4 novembre 2016

Écoulements liquide-gaz, évaporation, cristallisation dans les milieux micro et nanoporeux. Etudes à partir de systèmes modèles micro et nanofluidiques.

Soutenance de thèse Antoine Naillon

Sous réserve d’autorisation de soutenance par les rapporteurs

Vendredi 9 décembre à 11 h 00

Amphithéâtre Nougaro

Résumé :

Les écoulements en milieux poreux sont omniprésents tant dans la nature (sols) que dans l’industrie (matériaux de construction) ou le domaine de la santé (réseau vasculaire). Les travaux menés dans cette thèse ont pour objectifs d’étudier ces écoulements en présence de liquide et de gaz. Cela correspond aux situations d’imbibition (ou invasion capillaire), de drainage (ou déplacement d’un fluide mouillant par la mise en pression d’un fluide non mouillant), et d’évaporation (ou de séchage). L’étude se base sur l’utilisation de systèmes modèles artificiels.
Une première partie de ce travail se concentre sur les écoulements liquide-gaz dans les milieux dont la taille des pores est inférieure à 100 nm. Ces milieux sont dits nanoporeux. A cette échelle, différents phénomènes sont susceptibles de modifier les écoulements liquide-gaz par rapport à ce qui est observé à l’échelle micrométrique : accrochage de la ligne de contact, pression fortement négative en phase liquide, cavitation par exemple. Des expériences sont donc nécessaires pour mieux caractériser ces écoulements. En parallèle, les récents progrès en nanofabrication permettent de fabriquer des systèmes dont la profondeur peut descendre jusqu’à quelques nanomètres. Cette approche, désormais classique à plus grande échelle, nous fournit un outil innovant pour étudier les écoulements dans des milieux nanoporeux modèles, en deux dimensions. Un atout clair de ce type de modèles est qu’ils permettent une visualisation directe des deux phases. Des dispositifs nanofluidiques en silicium-verre et à profondeur constante ont été réalisés dans la gamme 20-500 nm. Un nouveau procédé de nanofabrication basé sur une lithographielaser à niveau de gris a été développé afin d’obtenir des dispositifs à profondeurs variables en une seule étape. Les expériences d’imbibition et un modèle théorique ont mis en avant que la pressurisation du gaz accélère son transport dans le liquide. Des expériences de drainage ont été réalisées dans des dispositifs nanofluidiques avec des pressions de l’ordre de 20 bars. Des simulations sur réseau de pores utilisant l’algorithme de percolation d’invasion ont montré que les motifs d’invasion expérimentaux correspondaient à ce qui était attendu à l’échelle micrométrique pour des écoulements à faible nombre capillaire. L’évaporation en nanocanaux a révélé des cinétiques intéressantes d’apparition et croissance de bulles dans le liquide. Une ouverture est faite sur l’intérêt de poursuivre ces études dans des systèmes déformables.
La deuxième partie de cette thèse s’est focalisée sur la cristallisation du chlorure de sodium à l’échelle d’un pore micrométrique. Dans le cas particulier du séchage d’une solution de sel, l’évaporation amène à la cristallisation des espèces dissoutes. Ce phénomène est largement impliqué dans la problématique de la conservation des œuvres d’arts ou de la détérioration précoce des édifices. Les mécanismes qui conduisent à la génération de contraintes par un cristal sur une paroi, appelée pression de cristallisation, ne sont pas encore admis tant à l’échelle macro que microscopique. Des déformations induites par la cristallisation du sel ont été observées dans des dispositifs microfluidiques polymère-verre (PDMS). La vitesse de croissance d’un cristal a été mesurée à haute cadence d’acquisition, aboutissant à une nouvelle valeur de la constante de cinétique deréaction, 1 à 2 ordres de grandeur supérieurs aux données de la littérature. Un modèle numérique prédit l’évolution du champ de concentration en sel dissous lors de la croissance du cristal. Complété par une analyse théorique qui a mis en avant un nombre de Damkhöler prenant en compte les propriétés de transport et la taille du pore, il a permis de construire un diagramme de phase qui traduit les conditions favorables à la génération de contraintes par un cristal sur une paroi. Enfin, un mécanisme de génération de contraintes négatives entraînant la fermeture du pore a été observé.

Jury :

  • Hugues Bodiguel ,
  • Noushine Shahidzadeh,
  • Dominique Derome,
  • Gilles Pijaudier-Cabot,
  • Jean Talandier,

directeur de thèse :

  • Pierre Joseph,
  • Marc Prat

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