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Mesures locales de contraintes, de vitesses et de conformations moléculaires dans des solutions de polymères

Nicolas Francois — CPMOH (Talence)

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L’ajout de faible quantité de polymères dans une solution peut modifier de manière spectaculaire ses propriétés d’écoulement. A ce titre les polymères flexibles réduisent la dissipation d’un écoulement turbulent en conduite («réduction de traînée turbulente»), mais ils peuvent, tout aussi bien, augmenter la résistance à l’écoulement comme c’est le cas au travers d’un milieu poreux.
Cette richesse de comportement, les techniques actuelles de marquage de brins d’ADN par molécules fluorescentes invitent à la questionner plus avant. Ces brins d’ADN sont en effet une sorte de polymère modèle, et ils permettent d’obtenir une vision microscopique des conformations polymériques sous écoulement.

Tirant profit de ces avancées technologiques, cette thèse souhaite aborder une question délicate : «Quel est le lien entre l’étirement des chaînes polymériques observée à l’échelle microscopique et les modifications induites sur l’écoulement macroscopique?»
On y cherche donc en permanence à coupler des mesures de contraintes à des visualisations des comportements moléculaires. Précisément, on s’y intéresse à l’influence de polymères flexibles sur un écoulement de Stokes (nombre de Reynolds Re << 1) autour d’un obstacle cylindrique (par exemple une fibre optique utilisée comme sonde de force ).

En régime établi, on montre qu’il existe une intéraction forte entre les polymères et notre senseur de force. Elle induit une transition «pelote/chaîne étirée» (coil-stretch transition) sur les conformations moléculaires. Les contraintes mesurées s’en trouvent fortement augmentées.
Sous des sollicitations instationnaires, on observe un ralentissement prononcé de la dynamique des contraintes. Un effet attribué à l’apparition d’une force d’histoire élastique. Cette force semble directement liée à des dynamiques moléculaires lentes et complexes.

Enfin on discutera de la sensibilité à la géométrie des parois. Notamment le rôle crucial que jouent des «frontières courbes» dans le débobinage des molécules.
Ces éléments pourraient permettre de mieux comprendre comment l’utilisation de polymères dans des milieux fracturés notamment les milieux poreux, peut changer la structure de l’écoulement à la frontière solide et ainsi accroître les pertes de charge.