Microfluidique

Microfluidique grand vitesse (Onde de choc dans les micro-systèmes)

Participants : J.Giordano, P.Perrier Collaborations : M. Brouillette, J.D. Parisse

Ce volet concerne la thématique de l’interaction d’une onde de choc avec un système mécanique. Avec Martin Brouillette (Université de Sherbrooke Canada), nous avons développé une recherche en collaboration sur la détection d’onde de choc dans des microsystèmes. L’équipe canadien a fait le design est la fabrication de détecteur de pression dans un microsystème. Nous avons ensuite imaginé un système de détection optique d’onde de choc dans des microsystèmes. Cette interaction permet de freiner de façon importante cette onde. L’expertise instrumentale dans le laboratoire a été déterminante pour étudier comment cette interaction dépend des états de surface et des conditions thermiques des parois.

Shadowgraph of a shock wave propagation in a micro-channel

Transfection

Participants : J.Giordano, P.Perrier  – Collaborations : J. Deschamps (IRPHE), P. Alloncle  (LP3), L. Berthe (PIMM), C. Dubois (C2VN) – Thèse/Post-doc : N. Gaci

La transfection permet le passage de matériel biologique exogène (ADN, ARN, protéines, etc.) à travers la membrane bi-lipidique des cellules. La réussite de la transfection est donc une des étapes clés aux procédés d’ingénierie génétique.

Notre hypothèse, non étudiée dans l’état de l’art, est que l’onde de choc, couplée à la configuration géométrique (sphéricité des cellules et courbure différente des discontinuités) et aux gradients de masse volumique entre les cellules et le milieu environnant seraient générateurs de phénomènes hydrodynamiques menant à la déstabilisation de la membrane.

Vésicules

Notre hypothèse, non étudiée dans l’état de l’art, est que l’onde de choc, couplée à la configuration géométrique (sphéricité des cellules et courbure différente des discontinuités) et aux gradients de masse volumique entre les cellules et le milieu environnant seraient générateurs de phénomènes hydrodynamiques menant à la déstabilisation de la membrane.

Nous avons étudié plusieurs types de générations de chocs et les études préliminaires ont été faite sur des vésicules qui possèdent la même couche bi-lipidique que les cellules.

Les premiers résultats sont concluants en tube à choc si on passe un seuil entre le produit de pression et le gradient de densité entre l’intérieur et l’extérieur de la vésicule (Voir figure ci-dessous). Les autres tests qui ont été développé à partir de cavitation montrent une perte des vésicules mais aussi un changement de distribution. Ce changement invoque une plus grande sensibilité des grosses vésicules aux chocs.

Nous retournerons rapidement vers des essais sur des cellules pour vérifier que les informations recueillis sur des vésicules sont pertinentes pour des cellule

Interaction gaz surface solide

Participants : P.Perrier, J.G.Méolans, I.Graur
Collaborations : V Martini-Laithier, S Bernardini, K Aguir, M. Bendahan (IM2NP, AMU), S. Colin, L. Baldas, Ch. Barrot, M. Rojas (INSA Toulouse), H Yamaguchi (Nagoya University, Japan), J Thöming (Bremen University, Germany), M. Wuest (INFICON, Liechtenstein), S. Lorenzani (Polytechnico di Milano)

Thèse/Post-doc : T.Ewart (thèse projet Region, 2004-2007), M. Hadj Nacer (thèse FP7 GASMEMS, 2009-2012), M. Rojas (thèse FP7 GASMEMS, 2009-2012), R. Brancher (thèse H2020 MIGRATE, 2016-2019)

L’interaction gaz-surface est important dans tous type d’écoulement, mais elle devient prépondérante pour les écoulements à petits échelle dans les systèmes micro fluidiques (micro-canaux, micro-valves etc.) car le rapport surface/volume devient beaucoup plus important par rapport aux écoulements de dimensions conventionnels. L’installation expérimentale a été développé pour mesurer le débit massique à travers des micro-canaux de différentes formes. Les modélisations analytiques et numériques ont été réalisées pour reliée les mesures macroscopiques aux caractéristiques microscopiques comme les coefficients d’accommodation de quantité de mouvement et de l’énergie.

  •  

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  • Brancher, M. Johansson, P. Perrier, I. Graur Measurements of pressure gradient and temperature gradient driven flows in a rectangular channel, Journal of Fluid Mechanics, 2021

Caractéristiques des écoulements dans les milieux microporeux

Participants : P.Perrier, I.Graur  Collaboration : J.Vicente, F. Topin , Ph. Moulin et J.-Ph. Bonnet (M2P2),

Thèse/Post-doc : F.Testa (ATER, 2015-2016) M.V. Johansson (thèse H2020 MIGRATE, 2016-2019), K. Sharivar (post-doc, Labex, 2018-2019)

La méthode transitoire des mesures de débit massique et de perméabilité à travers un média microporeux, développée précédemment, est ici utilisée pour extraire différentes caractéristiques du média. En implémentant le modèle des milieux poreux comme un faisceau de capillaires, la dimension effective des pores est extraite des mesures et son interprétation physique est donnée. Cette méthodologie montre des résultats prometteurs à utiliser comme méthode non destructive d’analyse des milieux micro et nanoporeux. La perméabilité est également extraite directement des mesures de la variation de pression dans le temps. En utilisant des informations supplémentaires sur la porosité de l’échantillon, le nombre de capillaires, la tortuosité et la surface interne de l’échantillon sont calculés. Les valeurs extraites sont très proches de celles obtenues par porosimétrie au mercure et par microtomographie.

  • Pavan, M. Prat, V. Vidal, Foundry core box vent positiong as problem of optimal control of convective gas flow in porous media, Journal of Porous media 9(7), 2006
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  • V.Pavan, J. Chastanet, Heat transfers in gas flows under klinkenberg conditions : comparisaon between the homogenization and the kinetic approaches, Journal of Porous media, 14(2), 2011
  • M.V. Johansson, F. Testa, I. Zaier, P. Perrier, J.P. Bonnet, P. Moulin, I. Graur, Mass flow rate and permeability measurements in microporous media, v 158, Vacuum, 2018, pp. 75-85
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  • C Savaro, JP Bonnet, MV Johansson, P Perrier, I Graur, P Moulin, Gas permeability in rarefied flow conditions for characterization of mineral membrane support, European Journal of Mechanics-B/Fluids, 2020, v 79, pages 44-53

Impementation of porous media in metrological systems

Participants : P.Perrier, I.Graur – Collaboration : Martin Wuest (INFICON, Liechtenstain) –Thèse/Post-doc : M.V. Johansson (thèse H2020 MIGRATE, 2016-2019)

The gas flows through the low permeable porous media are of great interest, especially in vacuum technology for filtering, separation processes, protection, and flow control. It can combine a high mass flow rate and a high level of rarefaction. The transient experimental technique developed previously for the mass flow rate measurements through the microchannels (Phys. Fluids, vol. 23, p. 031702, 2011) is generalized to obtain the permeability and conductance directly from the pressure variation measurements. The present experimental method- ology, allowing for step by step data verification, leads for higher accuracy than the similar and commonly used method such as “pulse-decay” techniques (Int. J. Rock. Mech. Min. Sci, vol. 5, no. 415-426, 1968). The measured data are fit- ted according to the exponential function with the pressure relaxation time as a single fitting parameter. The permeability and conductance of the sintered stainless-steel microporous medium are measured for different gases. By using the methodology proposed in (Int. J. Heat and Mass Trans., vol. 142, p. 118412, 2019) the characteristic pore size of the sample was determined to be equal to 1.5 micrometers. It was found that free molecular flow constant conductance is achieved at a pressure below 30 mbar for helium. This property makes this kind of porous media particularly suitable as a leak element by taking advantage of the constancy of conductance in the free molecular flow regime, for example, for calibration of ionization gauges or mass spectrometer (Measurement, vol. 45, no. 10, pp. 2452 – 2455, 2012).

 

Modélisations et simulations des écoulements hors-équilibre (théorie cinétique de gaz)  

Participants : V.Pavan, I.Graur  Collaboration : Y. Jobic (IUSTI), Jaques Schneider (Université de Toulon), Stéphane Brull (Université de Bordeaux), A. Frezzotti (Politechnico di Milano, Italie), F. Sharipov (University of Parana, Brésil), V. Titarev (Dorodnizyn Computer Center, Russia), Thèse/Post-doc : A. Polikarpov (thèse MRE 2008-2011), M.T. Ho (thèse MRE 2012-2015)

Un écoulement de gaz peut être décrit à deux niveaux d’analyse différents : le niveau microscopique et le niveau macroscopique. Au niveau macroscopique, le gaz est considéré comme un milieu continu. Le modèle macroscopique, basé sur le système des équations de Navier-Stokes, fournit une description détaillée du comportement des paramètres macroscopiques du gaz, tels que la densité, la vitesse macroscopique, la pression et la température. Au niveau microscopique, la structure moléculaire du gaz est prise en compte et, en plus de l’espace physique et du temps, paramètres utilisés dans les modèles macroscopiques, l’espace des vitesses moléculaires est également pris en compte et on considère donc l’espace de phases à six dimensions.

Le modèle physique le plus général, mis en œuvre à l’échelle microscopique, est basé sur l’équation de Boltzmann, qui décrit statistiquement le comportement macroscopique d’un gaz. Du point de vue mathématique l’équation de Boltzmann est une équation intégro-différentielle où la fonction de distribution moléculaire dépend, en général, de sept variables : un vecteur de position, un vecteur de vitesse moléculaire, les deux dans l’espace de phases, et un temps. Sa résolution est donc un problème très difficile. Par conséquent, il convient de définir les conditions dans lesquelles sa solution est vraiment indispensable, ce qui signifie, les conditions dans lesquelles les modèles continus perdent leur validité. En même temps, plusieurs modèles cinétiques de l’équation de Boltzmann sont proposés à partir des années soixante. Ces modèles sont moins couteux au point de vue numérique par rapport à la résolution de l’équation de Boltzmann, mais ils reflètent aussi plus ou moins bien les propriétés de cette équation. Il et donc, indispensable de tester la capacité de ces modèles à suivre les propriétés de l’équation de Boltzmann.

L’équation de Boltzmann décrit une évolution de la fonction de distribution moléculaire et elle est théoriquement valable pour toute valeur du nombre de Knudsen. Mais sa solution analytique n’est possible que pour très peu de cas particuliers et sa solution numérique est très coûteuse en termes de ressources informatiques. Les difficultés de sa résolution proviennent du caractère intégro-différentiel de cette équation et aussi de sa forte dimensionnalité. La solution numérique de l’équation de Boltzmann a représenté un défi pendant plusieurs décennies, mais il n’est pas facile de construire un schéma numérique qui maintienne les principales propriétés de l’équation de Boltzmann : la positivité de la fonction de distribution, la conservation des moments macroscopiques, les propriétés d’entropie, etc.

L’objectif principal de ce travail est le développement d’approches efficaces pour les simulations numériques de cas pratiques d’écoulements de gaz raréfiés purs et de mélanges de gaz sur la base des équations cinétiques modèles et de la mise en œuvre de la méthode des vitesses discrètes (DVM).I.A.Graur, F. Sharipov, Gas flow throuth an elliptical tube over whole range of the gas rarefaction, Europeen Journal of Mechanics B/Fluids, 27(2008), pp. 335-345

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Simulations of the Adsorption-desorption phenomena

Participants : V.Pavan I.Graur  Collaborations : F. Topin (IUSTI), K Aguir, M. Bendahan (IM2NP, AMU), A. Frezzotti (Polytechnico di Milano), S.Stefanov (Institute of Mechanics, Bulgarian Science Academy), S. Le Calvé (Université de Strasbourg, CNRS, ICPEES UMR 7515) Thèse/Post-doc : R. Brancher (thèse H2020 MIGRATE, 2016-2019)

A mathematical model based on Langmuir kinetic approach is proposed to de- scribe the transport of BTEX molecules (benzene, toluene, ethylbenzene, m-, p- and o-xylene) inside a capillary chromatography column during their separation step. This model is numerically implemented and afterwards it is validated in correlation with experimental data. Since some thermodynamic parameters and chemical coefficients are unknown for our surface kinetics the initial adsorption and desorption coefficients, Kads and Kdes, are derived from the experimental data. Afterwards predictions are achieved with a good level of correlation when calculating the retention time and peak width at the column outlet for an experimental sequence of several different column temperatures and inlet pressures; and comparing these values with the equivalent simulations.

  • Rodríguez Cuevas, R. D. Brancher, F. Topin, S. Le Calvé, I. Graur Numerical simulation of the sorption phenomena during the transport of VOCs inside a capillary GC column, Chemical Engineering Science, 234, 116445 2021
  • Brancher RD, Stefanov S, Graur I, Frezzotti A, A Kinetic Model for Gas Adsorption-Desorption at Solid Surfaces Under Non-Equilibrium Conditions, Vacuum, https:// doi.org/10.1016/j.vacuum.2020.109166

Changement des phases liquide vapeur à petits échelle

Participants : I.Graur – Collaboration : M.Medale, Y. Jobic, F. Topin, L. Tadrist (IUSTI), C. Léonard, Q.-Dong To (Université Marne-La-Valée), M. Miscevic, P. Lavieille (LAPLACE, Toulouse), O.Kabov, E. Gatapova (Kutateladze Institute of Thermophysics, Russia), A. Polikarpov (Ural Federal University, Russia), A Frijns, S Gaastra-Nedea, M. Wolf (Eindhoven University, The Netherlands), F. Sharipov (University of Parana, Brazil), Denize Kalempa (University of San Paolo, Brazil)

Evaporation is one of the most effective processes for heat transfer enhancement in the confined spaces. The development of efficient tools for modeling of evaporation processes requires a clear understanding of the applicability of existing approaches. The planar evaporation of monoatomic gas at low and arbitrary evaporation speed (Mach number lower than 0.5) is simulated using the numerical solution of the S-model kinetic equation. These results are compared with the Molecular Dynamics (MD) simulations available from literature and our simulations performed here using LAMMPS tools. The S-model kinetic equation is shown to be an excellent time-effective model to simulate the structure inside and beyond from the Knudsen layer. It is also shown that non-linear Moment Method (MM) of the solution of Boltzmann equation gives the results in good agreement with S-model and Molecular Dynamics data and it can be used for engineering applications when the heat flux in the gas phase above the Knudsen layer is negligible. The useful tool for evaporation rate calculation based on analytical Moment Method formulas is provided as well. It is shown that the well-known Schrage expression considerably overestimate the evaporation rates with the evaporation coefficients calculated using Molecular Dynamics approach. The provided results could be used as the benchmark data to test evaporation models.

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