Caractérisation de l'hydrodynamique et du transfert de matière dans des installations miniaturisées (mini et micro-échelle)

Abstract

Les travaux de recherche présentés dans ce manuscrit concernent la caractérisation de l hydrodynamique et de l intensification du transfert de matière dans des installations miniaturisées de tailles millimétriques et micrométriques. Ce sujet se situe à l interface entre le domaine de la microfluidique et celui du génie chimique où la diminution de la taille des procédés est un challenge à l heure actuelle. Deux cellules de travail ont fait l objet d études. La première est constituée d un réseau de minicanaux croisés, de section carrée et de côté égal à 1,5 mm. Des mesures de chutes de pression et de transfert de matière global à partir d une méthode électrochimique permettent une caractérisation globale du mini-réseau et une comparaison des résultats avec ceux obtenus dans les milieux poreux. L étude hydrodynamique locale permet une approche multi-échelles comprenant des mesures PIV et des mesures locales du gradient pariétal de vitesse à partir de microsondes électrochimiques affleurant en paroi. Une analyse spectrale des signaux électrochimiques a permis à la caractérisation des régimes d écoulement, la reconnaissance des structures tourbillonnaires et la mise en évidence des phénomènes d intermittence en proche paroi. Le second système, d échelle micrométrique, est constitué de deux microcanaux se croisant à angle droit gravés dans une cellule en plexiglass. Des mesures du gradient pariétal de vitesse à partir de la méthode électrochimiques sont comparées à des simulations numériques réalisées à l aide du logiciel Fluent et deux configurations d écoulement ont été testées dont l'une favorisant les opérations de mélange.The research works presented in this memory are devoted to the flow characterization and mass transfer enhancement in miniaturized systems of millimetre and micrometer in size. This topic is located at the interface between the microfluidic area and the chemical engineering for which the reduction in size of the processes is a challenge. The experimental study concern two: The first one is composed of a network of crossing minichannels of square section 1.5 mm in side. Pressure drops and global mass transfer measurements realized using an electrochemical technique allowed the global characterization of the mini-network and a comparison of the results with those obtained in porous media. The local hydrodynamics study allows a multi-scale approach involving PIV measurements and wall shear rate measurements from electrochemical microprobes flush-mounted to the wall. A spectral analysis of the electrochemical signals allows the flow regimes identification, recognition of the vortices structure and the study of intermittency phenomenon in the near wall location The second cell, at a micrometric scale, made in a plexiglass cell which is composed of two microchannels intersecting at right angle. Wall shear rate measurements from the electrochemical technique have been compared with numerical simulations using the Fluent software. Two flow configurations have been carried out in order to enhance mixing process. The impinging-flow is found to be favourable to mixing, due to the formation of instabilities and high shear stress conditions into the focusing zone of the fluid stream.NANTES-BU Sciences (441092104) / SudocNANTES-Ecole Centrale (441092306) / SudocSudocFranceF