Thèses

Jeudi 8 Octobre 2020 à 14h00.

Dynamics of interfacial swimmers

''Les nageurs interfaciaux, qu’ils soient vivants -insectes aquatiques- ou artificiels, sont des objets de taille souvent macroscopique créant et exploitant les gradients de tension de surface pour se déplacer à l’interface d’un fluide. Bien que la connaissance de ce phénomène et sa compréhension qualitative datent de plus d’un siècle, des questions demeurent sur le mécanisme de cette propulsion, et plus fondamentalement sur la description quantitative des effets Marangoni au coeur de nombreux phénomènes et applications courantes impliquant mousses, gouttes ou films de liquide. Dans ce cadre, cette thèse se focalise sur une observation contre-intuitive : la possibilité d’une propulsion spontanée pour un “nageur” parfaitement symétrique.

Nous caractérisons d’abord expérimentalement la vitesse de propulsion de nos nageurs interfaciaux : des disques relarguant une substance tensio-active, du camphre. Deux types de nageurs sont considérés : soit le disque est un gel d’agarose chargé en camphre précipité, soit le disque est entièrement constitué de camphre. Dans les deux cas, on observe une vitesse de l’ordre de plusieurs centimètres par seconde, et qui augmente sous-linéairement avec le rayon du disque. Pour le nageur d’agarose, la dynamique de relargage camphre a été plus finement caractérisée, en proposant un mécanisme de diffusion au travers une couche de gel entourant le nageur, et qui conduit à un flux de camphre à sa surface.

L’élaboration de modèles-jouets, basés sur une source ponctuelle en mouvement, a permis de comprendre qualitativement le mécanisme de brisure spontanée de symétrie qui apparaît au-delà d’un nombre Marangoni critique. Malgré des simplifications drastiques, les prédictions sont en accord semi-quantitatif avec les résultats expérimentaux. En particulier, nous identifions une loi de puissance indiquant que pour de grandes valeurs, le nombre de Péclet associé à la vitesse de nage augmente comme le nombre Marangoni à la puissance 2/3. Par ailleurs, en utilisant le théorème réciproque de Lorentz, les effets des écoulement Marangoni sur le système ont pu être partiellement pris en compte, permettant ainsi d’améliorer les prédictions des modèles analytiques.

Pour prendre en compte tous les phénomènes physiques mis en jeu dans ces nageurs interfaciaux, nous avons eu recours à une approche numérique basée sur la méthodes des éléments finis (logiciel commercial COMSOL). Les résultats font apparaître un diagramme de bifurcation bistable, avec une zone où la brisure de symétrie n’est possible qu’au-delà d’un seuil. Les calculs numériques ont aussi permis de retrouver certaines conclusion de l’étude analytique, notamment les effets moteurs ou résistants des écoulements Marangoni. Enfin, les simulations confirment le caractère générique de la loi de puissance reliant les hauts nombres de Péclet aux nombres Marangoni.


Membres du jury :

Biben Thierry, Professeur des Universités, Université Lyon 1 Examinateur
Bickel Thomas, Maître de Conférences, Université de Bordeaux Rapporteur
Cantat Isabelle, Professeur des Universités, Université de Rennes 1 Examinatrice
Michelin Sébastien, Professeur, Ecole Polytechnique Rapporteur
Talini Laurence, Directrice de Recherche CNRS, CNRS Aubervilliers Rapporteure
Cottin-Bizonne Cécile, Directrice de Recherche CNRS, Université Lyon 1 Directrice de thèse
Detcheverry François, Chargé de Recherche CNRS, Université Lyon 1 Co-directeur de thèse
Ybert Christophe, Directeur de Recherche CNRS, Université Lyon 1 Co-directeur de thèse

''