Conception du premier banc expérimental : Grand canyon

Choix des uides visqueux Pour étudier les eets de dissipation visqueuse, il faut un uide visqueux, au comportement connu, dont l'écoulement pourrait se rapprocher de celui d'un polymère fondu. Des uides tels que le miel ou l'huile auraient pu être étudiés, mais ces derniers ne sont pas miscibles avec l'eau et compromettent la phase de nettoyage des microcanaux après les mesures. Nous avons donc choisi le glycérol. Les uides injectés lors des essais sont des mélanges glycérol/eau à diérents pourcentages massiques (tableau 5.3). La viscosité de ces mélanges a été mesurée expérimentalement au viscosimètre à cône plan. La viscosité des mélanges utilisés est représentée en fonction du pourcentage massique de glycérol sur la gure 5.33.

Nom Glycérol (%) Eau (%) Viscosité (P a.s)

Eau 0 100 µ = 10−3

GlyEau 5050 50 50 µ = 5.10−3 GlyEau 7525 75 25 µ = 0, 03 GlyEau 9010 90 10 µ = 0, 18 Glycérol 100 0 µ = 1, 06 Table 5.3  Propriétés des mélanges utilisés

5.3. OBSERVATION DE LA DISSIPATION VISQUEUSE EN MICROCANAL

Figure 5.33  Viscosité des mélanges étalons Eau/Glycérol en fonction du pourcentage massique de glycérol

Dispositif expérimental Le dispositif expérimental proposé pour l'observation de la dissipation visqueuse est sensiblement similaire à celui de la mesure de champ de Peclet et de Fourier (gure 5.34). L'idée est d'injecter des uides visqueux dans un microcanal, cette fois sans perturbation thermique initiale, an d'observer l'échauement créé par l'écoulement lui-même le long du micro canal. Il a été montré que pour les microcanaux a section rectangulaire, un fort rapport d'aspect augmente les eets de dissipation visqueuse. C'est pourquoi la puce utilisée est plus haute que large (voir dimensions sur la gure 5.34).

Figure 5.34  Schéma du banc expérimental Grand Canyon pour l'observation de la dissipation visqueuse Le uide à injecter est contenu dans une seringue. L'air comprimé du réseau est utilisé, via un détendeur et un régulateur de pression (0, 2 − 10 bars) pour appliquer une pression directement à la surface du liquide dans la seringue, et ainsi provoquer l'écoulement. La sortie est à pression atmosphérique.

Étalonnage du débit Les tests d'observation expérimentale de la dissipation visqueuse seront eectués pour plusieurs valeurs de la pression d'entrée. An d'avoir un ordre de grandeur du débit lors de ces essais, une calibration a été établie : débit dans le microcanal en fonction de la pression d'entrée imposée. Connaissant les propriétés physiques des uides injectés ainsi que les caractéristiques géométriques du microcanal, la calibration a été eectuée par pesée et chronométrage du contenu en sortie du microcanal (gure 5.35).

Figure 5.35  Étalonnage du débit dans le système microuidique Grand Canyon

L'eau est le uide de référence. Le seul mélange permettant de se placer dans la même gamme de débit que l'eau est le mélange GlyEau5050. An de comparer les eets de dissipation visqueuse à notre uide de référence, il faut travailler avec le uide visqueux GlyEau 5050, dans une gamme de débit allant de 300 à 1500 mL.h−1, soit une gamme de pression d'entrée de 0, 6 à 4 bars.

Acquisition des images IR Les lms enregistrés avec la caméra IR sont d'une durée de 20 s à 25 Hz, soit 500images en régime thermique permanent. La moyenne de ces 500 images est eectuée an de procéder au traitement du signal.

Nous représentons tout d'abord la diérence entre un écoulement d'eau et un écoulement de uide visqueux (gure 5.36). L'écoulement d'eau n'est pas détecté sur le champs de température alors que le uide visqueux génère du signal thermique et permet de localiser l'emplacement du microcanal. Tous les uides sont initialement à température ambiante et identique. Or, le uide visqueux entre dans le canal à une température plus élevée que la puce alors que l'eau reste à température ambiante. Cela indique que l'échauement dû à la dissipation visqueuse n'a pas lieu seulement dans le microcanal mais surtout dans le coude d'entrée lors de l'injection du uide.

5.3. OBSERVATION DE LA DISSIPATION VISQUEUSE EN MICROCANAL (a)

(b)

Figure 5.36  Exemples de champs de températures dans la puce Canyon. (a) Ecoulement d'eau et (b) Ecoulement de uide visqueux

La gure 5.37 montre les champs de température obtenus pour les diérentes pressions d'entrée lors des écoulements avec le uide GlyEau5050. Ces champs de températures sont représentés en perspective an de mieux visualiser les élévations de température. Dans tous les cas que le uide entre plus chaud que la température de la puce. Plus la pression d'entrée est forte, plus l'élévation de température en entrée de microcanal est conséquente. Cela est en accord avec la théorie (terme source de dissipation visqueuse directement proportionnel à la diérence de pression). Cependant, l'eet de la dissipation visqueuse n'est pas clairement observé le long du canal. En eet, la puce étant constituée uniquement de verre, il y a beaucoup de diusion pariétale. Cela est notamment visible par l'élévation de la température moyenne de la puce au fur et à mesure des expériences.

A partir de ces premiers résultats, il est possible de dénir les points expérimentaux à améliorer pour mieux visualiser les eets de dissipation visqueuse dans un microcanal.

1. Injection tangentielle pour ne pas échauer le uide avant qu'il entre dans le microcanal.

2. Augmentation du rapport signal à bruit. Il est possible de créer un coude ou circuit complexe mais horizontal, dans la puce microuidique, an d'augmenter le cisaillement et donc le signal.

3. Limiter la diusion pariétale pour conner l'échauement de température dans les limites du micro- canal.

Figure 5.37  Champs de température pour des écoulements du uide GlyEau5050