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Theses Year : 2013

Complex fluid flows and interface dynamics in microfluidic systems

Écoulements de fluides complexes en présence d'interfaces dans des systèmes microfluidiques

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Abstract

To better understand enhanced oil recovery processes, we performed immiscible biphasic flows in microfluidic geometries, involving oil phases and aqueous phases. We study the effect of the addition of polymers in the aqueous phase on the water/oil interface dynamics. We work first in a common microfluidic flow-focusing geometry, implying elongational flows, with a semi dilute polymer solution as the outer phase and a Newtonian oil as the inner phase. We observe new interface regimes linked to the non-Newtonian behavior of the outer phase. The elongational properties of the polymer solution favour the formation of cusps and micrometric jets, and the normal stresses that arise in the polymer solution, contribute to stabilize the jet over large distances which allow us to produce microfibers in the system. Besides, we use geometries simulating the typical configuration of a reservoir in oil industry, so as to study, in a systematic way, the effects of polymer solutions (viscosity/elasticity) on the oil phase driving, at pore and network scales. We characterize the influence of the viscosity ratio, the capillary number and wetting conditions, on the global pattern in the network and on the oil recovery rate. Lastly, we implement a dry-phase surface treatment method to improve the hydrophilicity of a material compatible with crude oil flows, and succeed in making microsystems with controlled and patterned wettability, down to the micrometric scale.
En lien avec des procédés de récupération assistée du pétrole, la mise en œuvre d'écoulements biphasiques immiscibles dans des géométries microfluidiques permet d'étudier comment des solutions aqueuses semi-diluées de polymères peuvent modifier la dynamique d'interface entre une phase aqueuse et une phase organique. Nous travaillons dans une géométrie commune en microfluidique (flow focusing), induisant des écoulements élongationnels, avec une phase externe aqueuse polymérique et une phase interne organique newtonienne. Nous observons des formes d'interfaces particulières liées au comportement non newtonien de la phase externe. Les propriétés élongationnelles du polymère favorisent la formation de pointes et de jets de taille micrométrique et les contraintes normales développées par le polymère stabilisent le jet sur de très grandes distances rendant possible la synthèse de microfibres, à partir de ces jets, dans le système. Par ailleurs, nous utilisons des géométries modélisant les configurations rencontrées dans les réservoirs dans l'industrie pétrolière, pour étudier de façon systématique les effets des polymères (viscosité/élasticité) sur le déplacement d'huile, à l'échelle du pore et du réseau. Nous caractérisons l'influence du rapport de viscosité entre les phases, du nombre capillaire et des conditions de mouillage, sur la forme du front polymères/huile et le taux de récupération d'huile. Enfin, nous employons une méthode de traitement de surface en phase sèche permettant d'améliorer l'hydrophilie d'un matériau compatible avec l'utilisation de pétrole pour fabriquer des systèmes aux propriétés de mouillage contrôlées et texturables, jusqu'à l'échelle micrométrique.
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Dates and versions

pastel-00831518 , version 1 (07-06-2013)

Identifiers

  • HAL Id : pastel-00831518 , version 1

Cite

Aurélien Duboin. Écoulements de fluides complexes en présence d'interfaces dans des systèmes microfluidiques. Dynamique des Fluides [physics.flu-dyn]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2013. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00831518⟩
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