Étude des performances de mélange hydrodynamique et thermique de fluides non newtoniens Mélange dans un micromélangeur compact //Study of the hydrodynamic and thermal mixing performance of non-Newtonian fluids mixing in a compact micromixer

Abstract

تندرج هذه الأطروحة في إطار تحسين الأنظمة الميكروسيالية، حيث تهدف إلى دراسة رقمية للأداء الهيدروديناميكي والحراري لممتزجات دقيقة فوضوية ثلاثية الأبعاد ومضغوطة الغاية الأساسية هي تقييم فعالية المزج للسوائل النيوتونية وغير النيوتونية المميعة بالقص ، مع مراعاة كل من جودة المزج والتكلفة الطاقوية المرتبطة به . أنجزت المحاكاة باستخدام الديناميكا الحسابية للموائع ( CFD ) لحل معادلات نافييه –ستوكس ، معادلة حفظ الكتلة ومعادلات انتقال الأنواع . استخدم محلول كاربوكسيميثيلسيللرز (CMC) كسائل عمل ، وهو مائع زائف البلاستيك نموذج بقانون القوة ، مع مؤشر اتسلوكبين 0.49 و 1،وأعداد رينولدز معممة تتراوح بين 0.1 و 70. تمت دراسة ثلاث هندسيات: المازج المرجعيTLCCM- XونسختيهTLCCM- KXوTLCCM- O. جرى تقييم فعالية المزج من خلال عدة معايير، منها : درجة المزج الهيدروديناميكي ، توزيعات الكسرالكتلي ، مجالات القص،فقدان الضغط والتكلفة الطاقوية . كماتمت دراسة المزج الحراري لسائلين (ساخن وبارد) داخل مختلف الهندسيات المدروسة، مما سمح بفهم أفضل لآلية التجانس الحراري تبعا للرولوجيا ونظام الجريان. أظهرت النتائج أن المازجTLCCM- O هو الأكثر اقتصادا في استهلاك الطاقة ، بينما يوفرTLCCM- KXأفضل أداء حراريا، مع تجانس شبه كامل مؤكد بتحلي لدالة الكثافة الاحتمالية (PDF). وعليه،توضح هذه الدراسة أن اختيار الهندسية المثلى يعتمد أساسا على طبيعة السائل ونظام الجريان.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre de l’optimisation des systèmes microfluidiques et porte sur l’étude numérique des performances hydrodynamiques et thermiques de micromélangeurs chaotiques tridimensionnels compacts. L’objectif principal est d’évaluer l’efficacité du mélange pour des fluides Newtoniens et non-Newtoniens rhéofluidifiants, en considérant à la fois la qualité du mélange et le coût énergétique associé. Les simulations numériques ont été réalisées à l’aide d’un code CFD résolvant les équations de Navier–Stokes, de conservation de la masse et de transport d’espèces. Le model de transport des espèces a été adopté pour analyser le processus de mélange, en prenant comme fluide de travail une solution de carboxyméthylcellulose (CMC) rhéofluidifiantmodélisée par la loi de comportement, avec des indices de comportement compris entre 0,49 et 1 et des nombres de Reynolds généralisés allant de 0,1 à 70. Trois configurations géométriques ont été étudiées : le micromélangeur de référence TLCCM-X et ses variantes TLCCM-KX et TLCCM-O. L’efficacité du mélange a été évaluée à partir de plusieurs critères : degré de mélange hydrodynamique, distributions de fraction massique, champs de cisaillement, pertes de charge, rapport Po/DMH et coût énergétique de mélange. Par ailleurs, le mélange thermique de deux fluides (chaud et froid) dans les différentes géométries considérées a également été analysé, permettant de mieux caractériser l’homogénéisation thermique en fonction de la rhéologie et du régime d’écoulement. Les résultats montrent que le micromélangeur TLCCM-O est le plus économe en énergie, tandis que le TLCCM-KX assure les meilleures performances thermiques, avec une homogénéisation quasi parfaite confirmée par l’analyse en fonction de densité de probabilité (PDF). Ainsi, cette étude démontre que le choix optimal du micromélangeur dépend étroitement de la nature du fluide et du régime d’écoulement considéré, et ouvre des perspectives pour la conception de dispositifs microfluidiques alliant efficacité énergétique et homogénéité thermique

This thesis focuses on the optimization of microfluidic systems through a numerical investigation of the hydrodynamic and thermal performances of compact three-dimensional chaotic micromixers. The main objective is to assess the mixing efficiency of Newtonian and non-Newtonian shear-thinning fluids, while considering both the mixing quality and the associated energy cost. Numerical simulations were carried out using CFD code to solve the Navier–Stokes equations, the mass conservation equation, and the species transport equation. The working fluid is a pseudoplasticcarboxymethylcellulose (CMC) solution, modeled by the power-law, with flow behavior indices ranging from 0.49 to 1 and generalized Reynolds numbers varying between 0.1 and 70. Three micromixer configurations were studied: the reference TLCCM-X and its variants TLCCM-KX and TLCCM-O. Mixing efficiency was evaluated using several criteria, including hydrodynamic mixing degree, mass fraction distributions, shear fields, pressure drops, and mixing energy cost. In addition, the thermal mixing of two fluids (hot and cold) within the different geometries considered was analyzed, providing a deeper understanding of thermal homogenization depending on fluid rheology and flow regime. The results indicate that TLCCM-O is the most energy-efficient design, while TLCCM-KX ensures superior thermal performance, with near-perfect homogenization confirmed by probability density function (PDF) analysis. This study highlights that the optimal choice of micromixer strongly depends on fluid properties and flow regime, offering valuable perspectives for designing microfluidic devices that combine energy efficiency with thermal uniformity