Estimations of diffusivity, velocity and heat sources fields in microfluidics systems using infrared thermography

Estimations de champs de diffusivités, de vitesses et de sources de chaleur par thermographie infrarouge sur des systèmes microfluidiques.

Christophe Ravey (1)

1 TREFLE - Transferts, écoulements, fluides, énergétique

Microfluidics is a recent technology which one of the main advantages is the miniaturization of the studied phenomena, in any domain (energy, chemistry, biology...). However, measurement techniques (velocity, temperature...) inside microfluidic systems are often difficult to implement. This is why it is important to design a new and efficient measurement tool, adapted to those micro-scales. InfraRed Thermography (IRT) is a powerful mean to measure temperature fields, which can be utilized to estimate thermo-physical properties. The first objective of this work is to develop a set of experimental and numerical methods coupling IRT and microfluidics in order to estimate thermal and fluid flow parameters. Original experimental procedures as well as one parameter inverse methods have been developed. All the developed methods were tested and validated from simulated temperature fields. Experimental measurements permitted to map and quantitatively estimate parameters like velocity, thermal diffusivity and source terms. The second objective is to test the developed methods on real microfluidics applications. Those tests led to excellent results such as chemical reaction enthalpy measurement in micro-reactor, and also the study of water crystallization in micro-channels.

La microfluidique est une technologie récente dont le principal avantage est de pouvoir miniaturiser le phénomène étudié, quelque soit le domaine (énergétique, chimie, biologie...). Cependant les techniques de mesures (vitesses, températures...) au sein des systèmes microfluidiques sont souvent complexes à mettre en oeuvre. C'est pourquoi il est important de mettre en place un nouvel outil de mesure efficace et fournissant des informations à l'échelle de ces microsystèmes. La Thermographie InfraRouge (TIR) est un moyen puissant de mesurer des champs de températures, qui peuvent ensuite être utilisés pour estimer des propriétés thermo-physiques. Le premier objectif de ce travail de thèse est donc de développer un corps de méthodes expérimentales et numériques couplant la TIR et la microfluidique dans le but d'estimer des paramètres fluidiques et thermiques. Une procédure expérimentale originale ainsi que des méthodes inverses à un paramètre ont été développées. Toutes les méthodes développées ont été testées et validées sur des champs de températures simulés numériquement. Les mesures expérimentales ont permis de cartographier et d'estimer quantitativement des paramètres tels que la vitesse, la diffusivité thermique et des sources de chaleur. Le deuxième objectif est de tester les méthodes développées sur des applications microfluidiques concrètes. Ces tests ont aboutis à d'excellents résultats tels que la mesure d'enthalpie de réaction chimique en microréacteurs, ainsi que l'étude de la cristallisation de l'eau en microcanal.

Mots clés: Microfluidics; infrared thermography; inverse methods; parameters estimation; diffusivity fields; velocity fields; microcalorimetry.

Mots clés: microfluidique; thermographie infrarouge; méthodes inverses; estimation de paramètres; champs de diffusivité; champs de vitesse; microcalorimétrie.

Domaines: Génie des procédés

Christophe Ravey. Estimations de champs de diffusivités, de vitesses et de sources de chaleur par thermographie infrarouge sur des systèmes microfluidiques.. Génie des procédés. Arts et Métiers ParisTech, 2011. Français. ⟨NNT : 2011ENAM0045⟩. ⟨pastel-00679165⟩