2.5 Conclusion
4.2.2 Génération d'un train de bulles
An d'étudier le problème de manière expérimentale, nous avons utilisé un système de puce microuidique en PDMS, dont une représentation est donnée sur la gure 4.3, où le procédé de fabrication est détaillé dans l'annexe A. Les photos de la gure 4.4 représentent des écoulements de trains de bulles dans les diérents canaux étudiés. Au sein de ces géométries sera envoyé un train de bulles par ow focusing [145] permettant la génération d'un train de bulles régulier dont la taille des bulles et la distance entre celles-ci sont contrôlées. En eet, le train de bulles est d'abord généré par un débit d'air
Qair contrôlé en imposant une pression Pair. L'air est ensuite pincé dans une jonction par un débit d'eau Qeau. Il est ensuite facile de connaître le débit d'air en mesurant le volume des bulles en sortie ΩB ' lB×w×h, dont les paramètres sont introduits sur la gure. Ensuite, il sut d'évaluer la fréquence à laquelle les bulles sont générées pour en déduire le débit d'air sortant Qair= ΩB×f. Le train de bulles peut ensuite être dilué ou concentré, par une deuxième jonction et un débitQd. Ce système permet alors de générer des bulles de longueurs lB, avec une distance entre bulles λ et un nombre capillaire Ca. L'intérêt du canal de dilution est de faire varier λ etCa tout en gardant lB constant.
Figure 4.3 Représentation du système expérimental pour l'étude du train de bulles dans diérentes géométries.
Pour connaître le nombre capillaire Ca imposé, nous utilisons la valeur du débit total
QT =Qair+Qeau+Qdà partir des autres débits qui sont imposés par des pousse-seringues. Ainsi, pour un canal de hauteur h, de largeur w, γ, la tension de surface entre l'eau et l'air et µ, la viscosité de la solution Surf EOR Foam 5200, nous avons :
Ca= µQT
Figure 4.4 Photos des diérents systèmes de canaux étudiés. a)ε = 0µm−Λ = 0µm. b)ε= 10µm−Λ = 400µm. c)ε= 30µm−Λ = 400µm. d)ε = 30µm−Λ = 200µm.
Pour étudier des écoulements à très faibles nombres capillaires, c'est-à-direCa∼10−6− 10−5, il est dicile de générer un train de bulles par ow focusing directement à ces ordres de grandeurs deCa. C'est pourquoi nous créons un train de bulles à des nombres capillaires
Ca ∼ 10−4 pour ensuite aspirer par le canal de dilution, comme sur la gure 4.5. Cela permet de descendre à des valeurs de Ca susamment faibles au sein du canal principal. Cette méthode a toutefois l'inconvénient d'aspirer une partie des bulles et d'avoir dans le canal, des bulles plus petites et de tailles hétérogènes. Pour éviter cet eet, il aurait fallu des constrictions importantes à l'entrée de ces canaux mais des essais de microfabrication avec une telle géométrie ce sont révélés infructueux.
Figure 4.5 Photo de ow focusing pour des régimes bas Ca avec aspiration par les canaux de dilution.
Une fois ces bulles formées, celles-ci entrent dans le canal principal. Nous nous plaçons dans un cas où les bulles sont de tailles plus importantes par rapport à la section du système car cette situation est celle envisagée par Bretherton et elle correspond aussi à la situation rencontrée en milieu poreux.
4.2.3 Traitement d'images.
Comme cela a été illustré dans le chapitre 2, la puce est installée sur un panneau LED et un objectif surmonté d'une caméra rapide est situé juste au-dessus de l'ensemble an d'assurer l'imagerie en même temps que les mesures de pression.
Figure 4.6 Traitement d'images d'un train de bulles où une vidéo (a) est moyennée pour en extraire ensuite la moyenne (b). Les images obtenues sont ensuite seuillées (c) pour obtenir une image en noir et blanc où un programme MATLAB va détecter les centres de bulles an d'évaluer la distance λ entre deux bulles ainsi que la vitesse Vb de chaque bulle (d).
Figure 4.7 Graphes de positions des centres de chaque bulle au cours du temps pour des canaux dont ε= 0µmetΛ = 0µm(à gauche) etε = 30µmetΛ = 200µm(au centre). A droite : Vitesses moyennées sur l'ensemble des bulles au cours du temps.
Nous avons utilisé un traitement d'images permettant d'accéder à la position des bulles en fonction du temps. Les étapes sont illustrées gure 4.6. Nous faisons la moyenne des images sur toute la vidéo, puis nous faisons la soustraction de cette moyenne sur chaque image. Nous obtenons alors une vidéo où les bulles apparaissent en plus contrastées. Ces images sont ensuite seuillées et un programme de détection détermine la position des centres de chaque bulle. Cela permet de traçer au cours du temps la position de chacun
des centres pour en déduire les vitesses des bulles, leur fréquence de passage et la distance
λ entre chaque bulle. La gure 4.7 montre des exemples d'évolution de positions de bulles dans un canal au cours du temps. Sur l'image de gauche de la gure 4.7 est tracé x(t) pour des bulles dans un canal dont ε =0 µm et Λ =0 µm. Nous remarquons que des droites sont tracées, ce qui permet de connaître la distance λ entre deux bulles, en regardant la distance entre deux droites sur l'axes des ordonnées et en faisant de même avec les abscisses, nous pouvons connaître la fréquence de passage de chaque bulle. Sur l'image centrale de la gure 4.7, nous avons un graphe similaire pour un canal dont ε=30µm et
Λ =200 µm. Les allures ne sont plus des droites, à cause à des uctuations causées par la présence de constrictions. A partir de ce genre de graphe, il est possible de connaître les vitesses des bulles au cours du temps. En déterminant chaque vitesse individuelle, nous pouvons les moyenner pour obtenir des graphes de mêmes types que sur la gure 4.7 à droite. Nous observons une vitesse constante dans le canal à section constante et des vitesses périodiques dans le canal à constrictions.