Arrangement de gouttelettes

Dans les premiers dispositifs r´ealis´es et comme nous pouvons remarquer dans la figure 3.24, les gouttelettes sont distribu´ees d’une fa¸con al´eatoire dans le r´eservoir de stockage. Dans le but d’´etudier l’arrangement de gouttelettes apr`es leur g´en´eration c’est-`a-dire la fa¸con avec laquelle elles seront stock´ees dans le r´eservoir, plusieurs types des canaux de sortie ont ´et´e r´ealis´es dans les dispositifs `a faible perte de charge comme le montre la figure 3.26.

La division progressive des canaux de sortie a pour but d’assembler les gouttelettes dans le r´eservoir d’une mani`ere bien ordonn´ee contrairement `a leur arrangement dans les cas pr´ec´edents.

Mais l’id´ee de base pour l’arrangement de gouttelettes dans le r´eservoir et sa bonne dis- tribution dans ce dernier n’a pas ´et´e v´erifi´ee. En effet, les gouttelettes g´en´er´ees ont ´et´e bloqu´ees `a l’entr´ee du r´eservoir. Cela est dˆu essentiellement `a la grande diff´erence entre la vitesse d’´ecoulement de l’eau dans le microcanal de la phase continue et sa vitesse dans le r´eservoir. Ainsi, par exemple pour un d´ebit de la phase continue Qc = 1➭L/min, la vitesse

d’´ecoulement d’eau dans le microcanal de la phase continue (pour une section (largeur × profondeur = 10➭m × 10 ➭m)) est de l’ordre de 16 cm/s (sans consid´erer les fuites), alors qu’elle est de l’ordre de 0,08 cm/s dans le r´eservoir `a faible profondeur (2000 ➭m × 10 ➭m), et de 0,0028 cm/s dans le r´eservoir le plus profond (2000 ➭m × 300 ➭m) (figure 3.27). Cette chute de vitesse empˆeche la gouttelette de se d´eplacer dans le r´eservoir.

Pour am´eliorer ce comportement, des entr´ees consacr´ees `a la phase continue peuvent ˆetre cr´e´ees dans le r´eservoir. Elles servent `a d´eplacer les gouttelettes bloqu´ees en passant un courant d’eau suppl´ementaire dans le r´eservoir. L’eau ajout´ee va uniquement jouer le rˆole de transporteur de gouttelettes. D’autres am´eliorations peuvent aussi ˆetre introduites dans le syst`eme comme par exemple faire des passages progressives sous forme d’un V entre les microcanaux profonds et les microcanaux `a faibles dimensions, pour avoir un meilleur mouillage de leurs parois.

3.10/

Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons pr´esent´e la g´en´eration de gouttelettes d’huile dans l’eau en r´egime dripping en utilisant la configuration de la jonction en T. La simulation num´erique et les r´esultats exp´erimentaux ont montr´e que le diam`etre de la gouttelette est une fonction des largeurs des microcanaux des phases continue et dispers´ee (wc et wd respectivement),

et des vitesses de deux phases (vc et vd), alors qu’il ne pr´esente pas une d´ependance

importante avec la profondeur h des microcanaux.

Les dispositifs microfluidiques pr´epar´es nous ont permis de g´en´erer de gouttelettes dont la taille varie dans une large gamme allant de 5 `a 200 ➭m. Dans un mˆeme dispositif microfluidique, nous avons montr´e qu’en moyenne la diff´erence entre la plus petite taille dminet la plus grande taille dmaxde la gouttelette est de l’ordre de 2-3 fois (table 3.7). Cela

pr´esente une gamme int´eressante pour des syst`emes accordables r´ealis´es en changeant uniquement la taille de gouttelettes/bulles (par changement des vitesses de phases) sans aucune modification de la g´eom´etrie du syst`eme microfluidique.

Enfin, il faut noter que les vitesses de la phase continue utilis´ees correspondent `a des nombres capillaires de la phase continue Cac qui varient entre 2 · 10−4 et 6 · 10−3. Par

Figure 3.26 – Diff´erents types des canaux de sortie dans les dispositifs microfluidiques `a faible perte de charge int´egr´es sur silicium, avec les parties profondes ont une profondeur h = 300➭m et les moins profondes ont une profondeur h = 10 ➭m qui est ´egale `a celle des microcanaux de la jonction en T.

Figure 3.27 – Photo MEB d’un dispositif `a double profondeur montrant la grande diff´e- rence de dimension entre les microcanaux et le r´eservoir de stockage : faible profondeur h = 10➭m et grande profondeur h = 300 ➭m. syst`eme microfluidique wc(➭m) 200 100 100 100 wd(➭m) 20 50 50 10 h(➭m) 23 46 72 72 Diam`etre de la gouttelette dmax(➭m) 174 128 154 101 dmin (➭m) 80 57 52 46

Table 3.7 – Diam`etres minimal et maximal de la gouttelette g´en´er´ee dans des syst`emes microfluidiques de g´eom´etries diff´erentes.

comparaison avec la litt´erature [49, 53, 50, 57, 108], ces valeurs de Cac correspondent

plus au r´egime squeezing, mais dans notre cas l’utilisation de l’eau comme phase continue (liquide `a faible viscosit´e), ainsi que l’utilisation d’une huile de silicone sp´eciale donnant une valeur ´elev´ee de la tension interfaciale eau-huile (100 mN/m) comme phase dispers´ee explique les valeurs relativement faibles de Cac. Le r´egime squeezing dans nos cas apparait

`

a des valeurs encore plus faible de Cac <5 · 10−5.

Ces observations exp´erimentales nous permettent de dire que le nombre capillaire de la phase continue ne peut pr´edire le r´egime de g´en´eration de gouttelettes que dans un mˆeme syst`eme microfluidique et sa valeur pr´ecise n’est pas vraiment significative comme nous avons d´ej`a montr´e dans le paragraphe 1.4.3.4 du chapitre 1. Ainsi, on peut passer du r´egime dripping au r´egime squeezing en contrˆolant le nombre capillaire de la phase continue, mais dans un mˆeme syst`eme microfluidique, cela revient `a contrˆoler la vitesse de la phase continue.

G´en´eration de gouttelettes en

r´egime balloon

4.1/

Introduction

Dans ce chapitre, nous pr´esentons un nouveau r´egime de g´en´eration de gouttelettes dans la jonction en T que nous avons appel´e le r´egime balloon [106]. Nous montrons l’effet de la g´eom´etrie des microcanaux (largeur et profondeur), ainsi que celui des vitesses des deux phases sur la taille de la gouttelette g´en´er´ee, et nous proposons un m´ecanisme de formation des gouttelettes bas´e sur la stabilit´e de leur forme cylindrique pour expliquer les particularit´es de ce r´egime de g´en´eration.