A new mixer using chaotic advection mechanism for viscous Newtonian and yield stress fluids

Dans le but de mélanger les fluides visqueux avec une dépense énergétique minimale, nous proposons un nouveau mélangeur actif en ligne basé sur le principe de mélange par advection chaotique. Nous démontrons par des simples arguments théoriques que, par un choix judicieux des paramètres de contrôle, le mélange pourrait être efficace. Cette étude théorique est validée par des simulations numériques dans le cas des écoulements de fluide newtonien à faible nombre de Reynolds. Le comportement rhéologique des fluides de travail, le fluide newtonien (Emkarox) et le fluide à seuil (Carbopol), utilisés lors de l'étude expérimentale, est caractérisé. En parallèle, un dispositif expérimental est dimensionné et construit dans le cadre de la thèse. Lors d'un écoulement de fluide newtonien, les mesures de champs de vitesse, obtenues par la méthode · de vélocimétrie par image de particules (PIV), ont permis de mettre en évidence le régime d'advection chaotique. Le mélange de deux fluides est quantifié à partir des cartographies de mélange obtenues par la méthode de fluorescence induite par laser (LIF). Cette étude a montré que l'écoulement est plus chaotique ainsi que le mélange est plus homogène lorsque les particules de fluide passent plus de temps dans le mélangeur afin qu'elles soient suffisamment soumis au processus d'étirement et de repliement. Une étude similaire est réalisée avec des écoulements de Carbopol permettant de mettre en évidence l'influence de la rhéologie du fluide sur le degré du chaos et sur l'homogénéité du mélange.In order to mix highly viscous fluids with minimal energetic input, we propose a new active inline mixer based on the principle of mixing by chaotic advection. We demonstrate by simple scaling arguments that, by a judicious choice of the controlling parameters, mixing could be efficient. This theoretical study is validated by numerical simulations in the case of Newtonian fluid flows at low Reynolds number. The rheological behavior of the working fluids, the Newtonian (Emkarox) and the yield stress (Carbopol) fluids, used in the experimental study, is characterized. Jn parallel, an experimental device is designed ·and built in the framework of this thesis. During a Newtonian fluid flow, velocity field measurements, obtained by the particle image velocimetry (PIV) method, highlighted the chaotic advection regime. Mixing of two fluids is quantified using the mixing patterns obtained by the laser induced fluorescence (LIF) technique. This study showed that the flow is more chaotic and the mixing is more homogeneous when the fluid particles spend more time in the mixer so that they are sufficiently subjected to the stretching and folding mechanism. ., A similar study is carried out with Carbopol flows to analyze the influence of the fluid rheology on the degree of chaos and on the homogeneity of the mixing