Écoulement de mousse dans des modèles de milieux poreux

Dans le cadre de le récupération assistée du pétrole, de nouvelles techniques sont utilisées afin d’augmenter le rendement. Une des solutions chimiques consiste à injecter des mousses dans les milieux poreux pour extraire l’huile piégée dans la roche. Même si ce résultat est prouvé, il apparait que dans certains cas, en améliorant le mouillage dans le réservoir, la mousse permet de diminuer la mobilité. Cependant, les mécanismes contrôlant la mobilité des mousses ne sont pas bien compris. Dans ces travaux, l’approche choisie consiste à étudier l’écoulement d’un train de bulles dont on contrôle les différents paramètres (taille, vitesse, concentration) dans un modèle de milieu poreux. Nous utilisons pour produire les bulles in situ une co-injection d’air et d’eau dans une géométrie tridimensionnel où le jet du fluide non-mouillant se déstabilise dans une ‘piscine’ sous l’effet des forces de surface. Une fois les gouttes générées, elles sont injectées dans un modèle de milieu poreux, représenté comme un réseau de canaux microfluidique aléatoires en 2D. Les observations qualitatives dans ce micromodèle permettent de mettre en évidence que, en fonction des débits, de la fraction volumique et de la taille des bulles, l’écoulement est très hétérogène. En effet, la plupart de l’écoulement est concentrée dans des chemins préférentiels, dont le nombre augmente avec le débit. Afin de comprendre en détail la formation de ces chemins, nous avons simplifié le modèle en le réduisant à une jonction en forme de boucle afin de pouvoir déterminer les lois régissant l’écoulement à une jonction ainsi que la mobilité effective des mousses dans un canal droit. Cette étude menée à l’échelle du pore sera par la suite utilisée pour comprendre les phénomènes se produisant à l’échelle du milieu poreux modèle. [1] F. Malloggi, N. Pannacci, R. Attia, F. Monti, P. Mary, H. Willaime, P. Tabeling, B. Cabane and P. Poncet, Monodisperse Colloids Synthesized with Nanofluidic Technolog

Complex behavior of a yield stress fluid in model porous media

Yield stress fluids, such as concentrated emulsions, cement or toothpaste, display interesting flow behavior due to their non-linear flow curve. Some applications involve yield stress fluids flow in porous media, such as emulsion flow in oil recovery processes, cementing operations in the ground, or sludge cleaning in contaminated soil. Predicting the flow behavior is thus of great interest but is further complicated by the complexity of the geometry and the interplay between the heterogeneities of the medium and the existence of a yield stress. Models developed in order to describe Darcy's law assume a rheological law applied locally but these models do not take into account the complex effects such as thixotropy or wall slip. Alternatively, micromechanical models predicts that the flow concentrates at low flow rates in preferential paths, which strongly depends on the details of the porous geometry. At this stage, rather few experiments are available at the scale of a few pores, and we propose in this work to study the flow of yield stress fluids in micromodels of porous media to address experimentally the existence and characteristic of these preferential paths

Ecoulements de fluides viscoélastiques en géométries confinées (application à la récupération assistée des hydrocarbures)

L'écoulement des fluides complexes à l'échelle micrométrique est une problématique qui intéresse notamment la récupération assistée du pétrole. Ici, les fluides sont des solutions de polymères et de tensioactifs capables de s'auto-assembler en micelles géantes. Nous étudions ces écoulements au sein d'outils microfluidiques fabriqués en résine SU-8 selon un protocole développé pendant cette thèse. Nous avons réalisé des expériences de drainage d'huile en milieux poreux et montré que la rhéofluidification et le glissement promeuvent le phénomène de digitation pendant l'invasion. Nos expériences montrent que ces solutions peuvent être élastiquement turbulentes à de faibles nombre de Reynolds. Ces instabilités de vitesse ont des conséquences sur la rhéologie locale du fluide dans un simple canal droit et sont une source de dissipation additionnelle dans des géométries plus complexes.The flow of complex fluids in confined geometries is an issue of interest notably in the field of oil recovery. In this work, the fluids are polymer solutions of high molecular weight and surfactant solutions enable to form wormlike micelles. We study the flow in microfluidic devices made-up with Su-8 resin following a protocol that has been set during this PhD. We carried out experiences of oil drainage in porous media and show that shear-thinning and slippage are propoting the fingering during the invasion. our experiences also show that these solutions can be turbulent at low reynods numbers. These instabilities have consequences on the local rheology in a simple straight channel and are source of additional dissipation in more complex geometries.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

Dynamics of Particle Migration in Confined ViscoElastic Poiseuille Flows

Particles migrate in the transverse direction of the flow due to the existence of normal stress anisotropy in weakly viscoelastic liquids. We test the ability of theoretical predictions to predict the transverse velocity migration of particles in a confined Poiseuille flow according to the viscoelastic constitutive parameters of dilute polymers solutions. Firstly, we carefully characterize the viscoelastic properties of two families of dilute polymer solutions at various concentrations using shear rheometry and capillary breakup experiments. Secondly, we develop a specific 3D particle tracking velocimetry method to measure with a high accuracy the dynamics of particles focusing in flow for Weissenberg numbers Wi ranging from $10^{-2}$ to $10^{-1}$ and particle confinement $\beta$ of 0.1 and 0.2. The results show unambiguously that the migration velocity scales as $\text{Wi}\beta^2$, as expected theoretically for weakly elastic flows of an Oldroyd-B liquid. We conclude that classic constitutive viscoelastic laws are relevant to predict particle migration in dilute polymer solutions whereas detailed analysis of our results reveals that theoretical models overestimate by a few tenth the efficiency of particle focusing.Comment: 24 pages, 7 figure

Développement de cellules convectives lors du séchage de solutions polymères

Dans le cadre des travaux développés à l'heure actuelle sur les phénomènes d'instabilités couplés à l'évaporation, une étude expérimentale de séchage d'une solution polymère/solvant a été réalisée. Nous nous intéressons ici au premier régime qui apparaît en début de séchage, lorsque des mouvements convectifs se développent dans la solution dont la viscosité est encore relativement faible. Plusieurs types de visualisations ont été réalisées pour caractériser les structures convectives: visualisation en vue de dessus par caméra IR et par caméra vidéo, PIV dans une section verticale. Nous présentons une analyse des structures convectives obtenues, leur origine et leur domaine d'existence en fonction de l'épaisseur et de la viscosité initiale

Concept on self-assembly and structure of globular protein fluids

Globular proteins are ubiquitous in our daily life. Not only they are naturally present in the biological matter, they also offer many possibilities to adjust the nutritional and flow properties of fluids or to design drug vehicles [1]. Globular protein systems interact through short range attractive forces; and the interaction between them may lead the system to form aggregates through self-assembling process. Since such biological monomers are complex systems, their aggregation process is most of the time out of control. The current main conceptual framework to describe that process is based on the idea that the monomers may self-assemble through a diffusion and reaction mechanism known as DLA for diffusion limited aggregation, and RLA for reaction limited aggregation respectively [2]. Beta-lactoglobulin (blg) solution gives, after heat-induced denaturation, a suspension of polydisperse aggregates as predicted by the random aggregation concept. Therefore, the transition from native blg to denatured blg aggregate suspension leads to complex correlation with the flow behavior [3]. Although the dependency of the aggregation process to physicochemical factors like, ionic strength, pH, temperature and concentration has been intensively investigated, it still remains much to do to control the aggregate polydispersity via self-assembling process. The composition of the raw product, thermal processing, pH and entropy instability during the aggregation process, are some of the factors influencing the polydispersity of the aggregates. We use different techniques such as SAXS/USAXS, LS, SEM, CSLM and image analysis methods to characterize thoroughly the structure of globular protein aggregates formed after heat-induced denaturation at different experimental conditions [4]. Whether these aggregates are in solution or entrapped by gelation, we do think that investigating their structure will provide us with relevant information to solve the issue related to their formation. Please click Additional Files below to see the full abstract

Turbulence élastique dans des solutions de polymères en canal droit à bas Re

Les solutions de polymères s’écoulant dans des géométries curvilinéaires à faibles nombres de Reynolds (Re >1), cette turbulence, dite élastique, est attribuée à l’anisotropie des contraintes normales dans la solution. Il a été montré seulement très récemment, à la fois théoriquement [2] et expérimentalement [3], que ce comportement se développait aussi en géométrie rectiligne si une perturbation d’amplitude suffisamment grande était apportée à l’écoulement. Dans ce travail, nous caractérisons expérimentalement les conséquences de cette turbulence élastique sur les profils de vitesse et sur la loi de comportement d’une solution de Polyaccrylamides de forte masse molaire en écoulement dans une géométrie rectiligne. Il a déjà été théoriquement montré dans la littérature que les spectres des vitesses turbulentes suivent une décroissance en loi de puissance des basses fréquences vers les hautes fréquences [4]. La mesure de ces spectres par une technique de LDV nous permet de mettre en évidence sur notre solution cette décroissance caractéristique de la turbulence élastique. A l’échelle microfluidique, un simple canal droit nous permet d’explorer une large gamme de Wi en variant le gradient de pression aux extrémités du canal. Une technique de vélocimétrie par suivi de particules, couplées à des mesures de rhéométrie rotationnelle classique, mettent en évidence une instabilité du front d’écoulement. La loi de comportement de la solution, déduite de la courbe d’écoulement contrainte / taux de déformation, dépend fortement du gradient de pression appliqué au canal. Pour de faibles Wi, les courbes se superposent. Par contre, au-delà d’un Wi critique, cette prédiction n’est plus valide et de fortes fluctuations sont observées. Ce comportement est attribué au degré de turbulence dans la solution en écoulement. [1] A. Groisman and V. Steinberg, Nature. 405 (2000). [2] A. Morozov and W. van Saarloos, Physics Report 447 (2007). [3] D. Bonn, F. Ingremeau, Y. Amarouchene and H. Kellay, Phys. Rev. E 84, 045301(2011). [4] A. Fouxon and V. Lebedev, Physics of Fluid 15(7) (2003)

Propriétés mécaniques de films polymères ultraminces

This thesis describes a few experimental approaches designed to measure the mechanical properties of ultrathin polymer films (with thickness between 20 and a few hundreds of nanometers). Our experiences aim to understand the effect of confinement and of the surfaces on their properties. We present mainly the conception and the use of a dewetting experiment of thin films on a liquid substrate. The technique is shown to allow a direct and simple measurement of the viscoelastic properties of the polymer films above $T_g$. The results obtained on ultrathin films bring evidence that the rubbery plateau of polystyrene is unaffected by the confinement up to a fraction of the coil size. For the same films, the viscosity is found to be greatly reduced as compare to the bulk value. Some other phenomenon encountered during the wetting or dewetting of polymer films are also discussed. In a second part, we present another experiment based on a wrinkling instability occuring in the glassy state. A simple observation of the wrinkles allow to follow the variations of the elastic modulus. Finally, we report an AFM study that aims to investigate the effect of the surfaces and the interfaces in a filled elastomer.Cette thèse présente quelques approches expérimentales destinées à mesurer les propriétés mécaniques de films de polymères ultraminces, d'épaisseurs comprise entre 20 et quelques centaines de nanomètre. Nous présentons principalement la conception et l'exploitation d'une expérience de démouillage de films ultraminces sur substrat liquide. Nous montrons dans un premier temps que cette technique permet une mesure simple des propriétés viscoélastiques des films de polymères au dessus de Tg. Les résultats obtenus sur des films ultraminces mettent en évidence que le module au plateau caoutchoutique du polystyrene n'est pas affecté par le confinement, alors même que la viscosité est fortement réduite lorsque l'épaisseur des films est comparable au rayon de gyration des polymères. Divers phénomènes liés au mouillage ou au démouillage de films sont également abordés. Dans une seconde partie, nous présentons une autre expérience fondée sur une instabilité mécanique sur des films vitreux. Une simple observation des motifs induits permet de suivre l'évolution du module élastique dans le domaine vitreux. Enfin, une étude portant sur les possibilités d'investigations des effets de surface et d'interface par AFM sur des élastomères chargés est présentée dans une troisième partie