Rhéologie des Particules Déformables : Interaction entre Déformabilité des Particules et Forces Inter-Particules // Rheology of Soft Particles: Interplay Between Particle Deformability and Inter-Particle Forces

La dynamique des particules déformables en écoulement présente de nombreux défis, notamment pour le contrôle de leur comportement dans diverses applications. Nous nous intéressons particulièrement aux particules déformables, appelées capsules, constituées d'un cœur liquide entouré d'une membrane mince et souple. Ce projet vise à explorer, pour la première fois, l'impact des forces chimiques et physiques inter-particules à l'échelle microscopique sur la rhéologie macroscopique des suspensions. Ce sujet s'inscrit dans le domaine des fluides complexes, avec des applications variées en biologie, dans l'industrie alimentaire, les sciences de l'environnement et la pharmaceutique. Jusqu'à présent, nos travaux ont principalement porté sur la dynamique des particules déformables sous différentes conditions d'écoulement. Cependant, les forces inter-particules n'ont pas encore été intégrées dans nos modèles et simulations numériques.

Dans les systèmes naturels (par exemple, les globules rouges) et les particules déformables artificielles, les interactions inter-particules d'origine chimique et physique, telles que l'adhésion, le frottement et les forces électrostatiques, jouent un rôle crucial. L'impact de ces interactions sur l'écoulement des particules reste largement inexploré. Des études récentes, notamment expérimentales sur des particules rigides, ont montré que les interactions adhésives peuvent induire agrégation et accumulation de particules, et leur adhésion aux parois des canaux. Nous chercherons à identifier des phénomènes similaires pour les particules déformables, en ajustant systématiquement leur déformabilité ainsi que l'intensité des forces inter-particules.

L'objectif principal de cette thèse est de développer de nouveaux modèles pour les forces inter-particules et de les implémenter dans notre code numérique existant. Ce code permet déjà de réaliser des simulations tridimensionnelles de la dynamique d'une suspension de particules déformables en écoulement, avec un couplage fort d'interaction fluide-structure. Une série de simulations sera menée pour tester et valider les nouveaux modèles, en collaboration avec des chercheurs expérimentateurs spécialisés dans la synthèse des capsules et leur rhéologie.
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The behavior of soft particles in flow presents significant challenges, particularly in controlling their dynamics for various applications. This project focuses on fluid-filled soft particles enclosed by a thin, deformable membrane, commonly known as capsules. For the first time, we aim to explore how inter-particle chemical and physical forces at the microscale influence the macroscopic rheology of suspensions. This research falls within the broader field of complex fluid dynamics and has numerous applications in biology, the food industry, environmental sciences, and pharmaceuticals. While our team has extensively studied the dynamics of soft particles under different flow conditions, inter-particle forces have not yet been incorporated into our models or computer simulations.

In both natural (e.g., red blood cells) and artificial soft particle systems, inter-particle interactions stem from various chemical and physical mechanisms, including adhesion, friction, and electrostatic forces. However, their effects on particle flow remain largely unexplored. Experimental studies on rigid particles have demonstrated that adhesive interactions can lead to aggregation, accumulation, and adhesion to channel walls. This project aims to investigate similar phenomena in soft particles, systematically varying their deformability and the strength of inter-particle forces.

The goal of this PhD project is to develop new theoretical models for inter-particle forces and integrate them into our in-house library. Our existing code enables fully three-dimensional simulations of multiple soft particles in flow, incorporating two-way fluid-structure interactions. Through a series of simulations, we will test and validate the extended model in collaboration with experimental researchers who will synthetize capsules and characterize their rheology.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Other public funding

ANR Financement d'Agences de financement de la recherche

Université de Technologie de Compiègne

71 Sciences pour l'ingénieur

Master en Physique Numérique ou en Mathématiques Appliquées, ou Diplôme d'Ingénieur en Génie Chimique ou Mécanique
MSc or MEng in Computational Physics, Applied Mathematics, Mechanical or Chemical Engineering