Interfacial swimmers : dynamics, transport and dispersion

Autor: Gouiller, Clément
Přispěvatelé: Institut Lumière Matière [Villeurbanne] (ILM), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon, Université de Lyon, Christophe Ybert, Cécile Cottin-Bizonne, STAR, ABES
Jazyk: francouzština
Rok vydání: 2021
Předmět:
Zdroj: Dynamique des Fluides [physics.flu-dyn]. Université de Lyon, 2021. Français. ⟨NNT : 2021LYSE1141⟩
Popis: This thesis is part of the study of the transport and dispersion of particles by fluid flows. In particular, we are interested in the specific behaviours linked to the presence of active particles, which are capable of self-propulsion, creating their own flows, and emitting and reacting to chemical plumes. A first chapter is devoted to a review of basic concepts, the state of the art in particle transport and to the presentation of some characteristic behaviours that emerge from recent use of active particles. The second chapter deals with the first part of my work by focusing on the active particles considered herein : camphor disks, placed at the air-water interface where they move spontaneously for several hours to form interfacial swimmers. After a few reminders of the physical concepts and properties of isolated swimmers, we describe a novel experimental method used to characterize the three-dimensional Marangoni flows created by these swimmers. These measurements, consistent with recent numerical approaches, provide a complete set of characteristics that will serve as a building block for the study of transport phenomena in the presence of multiple particles or external flows. In parallel, we introduce a numerical model of a swimmer that is innovative in its two-dimensional character and its ability to account for the structure of Marangoni flows. This model, on the one hand, predicts swimming properties of individual particles that are coherent with the literature in this field. On the other hand, it allows the exploration of complex multi-particle dynamics, which will be the subject of the continuation of this thesis. The next chapter addresses the main part of this work dealing with the dynamics and transport behaviours in the presence of an assembly of swimmers. More precisely, we focus on the dispersion of a scalar surface field by these swimmers. Experimentally, we show that a stationary regime of imperfect mixing is reached, indicating competition between mixing and unmixing mechanisms. This regime is characterised both globally and via a multiscale analysis which shows similarities with turbulent processes, although the flows are laminar here. On a global scale, the origin of the mixing/unmixing properties is elucidated, in connection with the Marangoni flows generated around each swimmer. Numerically, the model we have introduced allows a description of all the previous characteristics except the turbulent multi-scale behaviour. It also allows a more complete and controlled investigation of the parameters and dynamics of the system. In a surprising way, the numerical model of this active particle system reveals a liquid/hexatic phase transition typical of thermic two-dimensional systems. Finally, the last chapter discusses the results obtained concerning the interaction of a swimmer with a network of counter-rotating vortices. Experimentally, we have set up a device to generate a 4x4 vortex array. Both experimentally and numerically, the study of a swimmer's trajectory allows to describe the interactions between swimmer and flow from the vortex time scale to the long time behaviours of the swimmer's transport, which are extrapolated. Through the numerical study, the quality of the extrapolation of the experimental system properties is discussed.
Cette thèse s’inscrit dans l’étude du transport et de la dispersion de particules par des écoulements fluides. Elle s’intéresse plus particulièrement aux comportements spécifiques liés à la présence de particules actives, capables de s’auto-propulser, de créer leurs propres écoulements ainsi que d’émettre et de réagir à des panaches chimiques. Un premier chapitre est consacré à des rappels théoriques, un état de l’art en matière de transport de particules et à la présentation de quelques comportements originaux qui émergent de la considération récente de particules actives. Le chapitre suivant aborde le premier volet de mon travail en se concentrant sur les particules actives considérées dans cette thèse : des disques d'agarose imprégnés de camphre, posés à l’interface air-eau où ils se meuvent spontanément pendant plusieurs heures pour former des nageurs interfaciaux. Après quelques rappels des concepts physiques ainsi que des propriétés de ces nageurs isolés, la description de ces objets est complétée par la première caractérisation expérimentale des écoulements Marangoni tridimensionnels que crée le nageur dans le fluide sur lequel il se propulse. Ces mesures, en cohérence avec des approches numériques récentes, permettent d’obtenir un ensemble complet de caractéristiques qui serviront de brique élémentaire à l’étude des phénomènes de transport en présence d’autres particules ou d’écoulement. Parallèlement, un modèle numérique de nageur est introduit. Celui-ci est innovant par son caractère bidimensionnel et sa capacité à rendre compte de la structure des écoulements Marangoni. Ce modèle, qui présente des propriétés de nage individuelle en accord avec la littérature dans ce domaine, permet en revanche l’exploration des dynamiques complexes multi-particules qui seront l’objet de la suite de ce manuscrit. Le chapitre suivant aborde le volet principal de ce travail autour de la dynamique et du transport en présence d’un ensemble de nageurs. Plus précisément, nous nous concentrons sur la dispersion d’un champ scalaire surfacique par ces nageurs. Expérimentalement, nous montrons qu’un régime stationnaire de mélange imparfait est atteint, indiquant une compétition entre deux mécanismes de mélange et de démélange. Ce régime est caractérisé à la fois globalement et via une analyse multi-échelles qui montre des ressemblances avec des processus turbulents bien que les écoulements soient ici laminaires. À une échelle globale, l’origine des propriétés de mélange/démélange est élucidée, en lien avec les écoulements Marangoni générés autour de chaque nageur. Numériquement, le modèle que nous avons introduit permet de décrire l’ensemble des caractéristiques précédentes à l’exception du comportement multi-échelles turbulent. Il permet de plus une investigation plus complète et contrôlée des paramètres et de la dynamique du système. De façon originale, ce système numérique actif fait apparaître une transition de phase liquide/hexatique typique des systèmes bidimensionnels thermiques. Enfin, le dernier chapitre aborde les résultats obtenus concernant l’interaction d’un nageur avec un réseau de tourbillons contra-rotatifs. Expérimentalement, nous avons mis en place un dispositif permettant de générer un réseau de 4x4 tourbillons. À la fois expérimentalement et numériquement, l’étude de la trajectoire d’un nageur permet de décrire les interactions entre nageur et écoulement de l’échelle du tourbillon aux comportements à temps long du transport du nageur qui sont extrapolés. Grâce à l’étude numérique du problème, la qualité de l’extrapolation des propriétés du système expérimental est discutée.
Databáze: OpenAIRE
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