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Theses Year : 2012

Single and collective fiber dynamics in confined microflows

Dynamique individuelle et collective de fibres en écoulements microfluidiques confinés

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Abstract

In this thesis, we studied the transport of single fibers and suspensions of fibers in microfluidic geometries. This collaboration work between Schlumberger and ESPCI-PMMH was motivated by the use of fibers in lost-circulation curing fluids in the oil industry. In this context where fibers are closely interacting with the flow boundaries, the roles of the geometry, flexibility and concentration of fibers as well as the flow geometry need to be understood. We created a microfluidic model system, integrating in a single experiment the fabrication and the flow of tailor-made fibers, using two different techniques. This new experimental system allows us to independently investigate the effect of all flow parameters. An in situ measurement of their mechanical properties is developed. Experimental and numerical work aims at understanding the transport of an isolated fiber in the Darcy flow, depending on its orientation and confinement. We show that the interactions of the fiber with the lateral borders of the microfluidic channel can lead to regular oscillations of the fiber. The collective dynamics of higher concentration of fibers is investigated when forcing them through a restriction in the microchannel. In particular, we address the question of the role of the orientation of the fibers on the clogging of the restrictions and the formation of fiber clusters upstream of the restriction.
Cette thèse porte sur le transport de fibres isolées et de suspensions de fibres dans des géométries microfluidiques. L'utilisation de fibres dans les fluides de forage et ciments pour réduire les pertes de circulation dans les puits de pétrole est à l'origine de cette collaboration entre Schlumberger et l'ESPCI-PMMH. Dans ce contexte industriel où les fibres en écoulement interagissent avec les roches frontières du puits et des fractures, il est nécessaire de comprendre le rôle de la géometrie des fibres, leurs propriétés mécaniques et leur concentration, ainsi que la géométrie d'écoulement. Nous avons créé un système microfluidique modèle qui intègre dans la même expérience la fabrication et la mise en écoulement de fibres, implémentant deux techniques différentes. Ce système nous permet d'étudier indépendamment l'effet de tous les paramètres d'écoulement. Nous proposons une méthode de mesure in situ des propriétés mécaniques des fibres. Nous étudions expérimentalement et numériquement le transport de fibres isolées dans un écoulement de Darcy, en fonction de l'orientation et du confinement de la fibre. Lorsque la largeur du canal microfluidique diminue, des interactions entre la fibre et les bords latéraux du canal apparaissent. Elles mènent à un mouvement oscillatoire et régulier de la fibre entre les bords dont nous étudions la dynamique. Nous nous intéressons enfin aux effets collectifs de fibres en suspensions qui s'écoulent à travers une restriction. Nous étudions en particulier le rôle joué par leur orientation sur le blocage des restrictions, et la formation de flocs en amont de celles-ci.
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Dates and versions

pastel-00765635 , version 1 (15-12-2012)

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  • HAL Id : pastel-00765635 , version 1

Cite

Hélène Berthet. Single and collective fiber dynamics in confined microflows. Fluid Dynamics [physics.flu-dyn]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2012. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00765635⟩
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