Développement de méthodes expérimentales pour l’analyse des écoulements de liquides dans les microcanaux
Institution:
Toulouse, INSADisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Specific characteristics of liquid flows in microchannels are investigated. Particularly, three micro-effects which can modify the classical flow-rate versus pressure Poiseuille relationship are identified. The first one is related to the presence of an Electrical Double Layer (EDL) near the channel wall. Based on a critical analysis of the literature, the resulting flow-rate decrease is quantified. An experimental validation requiring local velocities measurements, we have investigated µPIV possibilities and limits in order to obtain a 3-D velocity profile. A method is proposed to improve the resolution in the direction perpendicular to the visualization plane. It has been tested on virtual data and on first real experimental data which need to be completed. In addition, the EDL can also be efficiently used to generate a µflow. We propose an optimisation of a microchannels network intended to fill a micro-vascularized material by electro-osmosis. The second effect is due to viscous dissipation which can modify the fluid properties, mainly the viscosity which is very sensitive to the temperature. An experimental setup for micro-flow rates measurements has been adapted to high pressure levels the effect of temperature rise is clearly highlighted. The experimental data are compared with success to analytical models and numerical simulations. The third effect is tied to the deformation of the walls and is sensitive when they are made in polymer materials. The experimental study and the numerical simulation permit to quantify this deformation and its effects, as a function of the wall thickness
Abstract FR:
On s’est intéressé aux particularités des écoulements de liquides dans les microcanaux. En particulier, trois micro-effets susceptibles de modifier les relations classiques débit-pression d’un écoulement de Poiseuille sont identifiés. Le premier est lié à la présence de double couche électrique (DCE) en paroi. La réduction résultante de débit est quantifiée, sur la base d’une analyse critique de la littérature. Une validation expérimentale nécessitant des mesures locales de vitesses, nous nous sommes intéressés aux limites des techniques de µPIV pour la reconstitution de champs de vitesses 3-D. Une méthode est proposée pour améliorer la résolution dans la 3ème direction. Elle a été testée sur des essais virtuels ainsi que sur des premiers essais réels qu’il reste à compléter. Par ailleurs, la DCE peut également être utilisée de manière efficace pour générer un écoulement, et on propose une manière d’optimiser un réseau de microcanaux destiné à irriguer par électro-osmose un matériau micro-vascularisé. Le second effet est dû à la dissipation visqueuse qui peut modifier les propriétés du fluide, principalement sa viscosité très sensible à la température. Un banc d’essais pour la mesure de micro-débits a été adapté à des pressions élevées, et l’effet d’augmentation de température est clairement mis en évidence. Les mesures sont confrontées avec succès à des modèles analytiques et des simulations numériques. Le troisième effet, lié à la déformation des parois, est sensible lorsque celles-ci sont fines et réalisées en matériau polymère. L’étude expérimentale et la simulation numérique permettent de quantifier cette déformation et ses effets, en fonction de l’épaisseur des parois