Hydrodynamic interactions and diffusion in vesicle and red blood cell suspensions - TEL - Thèses en ligne
Thèse Année : 2012

Hydrodynamic interactions and diffusion in vesicle and red blood cell suspensions

Interaction et diffusion hydrodynamiques dans une suspension de vesicules et globules rouges.

Résumé

Blood is a complex suspension of deformable particles, red blood cells, which exhibits a sophisticated dynamics when flowing in the microvasculature. Most of these complex phenomena, non-linear rheology, structuration of the suspension, heterogeneities of the hematocrit distribution, are directly connected to the rich microscopic dynamics of individual red blood cells, and their hydrodynamics interactions. We investigate a few aspects of the dynamics of red blood cells and giant vesicles - a simple model for RBCs. A study on the dynamics of very deflated vesicles, with shapes similar to those of red blood cells, shows that these objects which haven't received a lot of attention so far can exhibit richer than expected dynamics. We then mainly focus on the still unexplored problem of hydrodynamic interactions between vesicles or red blood cells and their consequences at the scale of the suspension. An experimental study of the interaction of two identical vesicles in shear flow shows that there is a net repulsion between the cells that leads to an increase of the distance between vesicles in a suspension. Scaling arguments are proposed for this interaction and a comparison with numerical results is performed and a quantitative estimation of a shear induced diffusion coefficient obtained by averaging the results for pair interactions is found. Finally, we investigate the diffusion of a cloud of red blood cells in Poiseuille flow in order to directly determine diffusion coefficients. The experiment shows that the cloud widens when traveling along the channel with a power law behaviour indicating sub-diffusion. This effect is confirmed by a theoretical analysis of a few limit cases.
Le sang est une suspension de particules déformables, les globules rouges, qui possède une dynamique riche lorsqu'il s'écoule dans la microvasculature. La plupart des ces phénomènes complexes, comme la rhéologie non-linéaire, la structuration inhomogène de la suspension, ou l'hétérogénéité de l'hématocrite dans les différents vaisseaux, sont directement liés à la dynamique individuelle des globules rouges, elle-même très riche, ainsi qu'à leurs interactions hydrodynamiques. Nous nous intéressons à quelques aspects de cette dynamique, en considérant des globules mais aussi des vésicules lipidiques géantes, un modèle simple de globules. Une première étude sur des vésicules de forme semblable à celle des globules montre que ces objets jusqu'à présent peu étudiés peuvent présenter une dynamique plus riche qu'attendu. Nous nous focalisons ensuite principalement sur le problème encore ouvert de l'interaction hydrodynamique entre vésicules ou entre globules, et sur ses conséquences à l'échelle de la supension. Uneétude expérimentale de l'interaction de deux vésicules identiques placées dans un écoulement de cisaillement nous permet de metttre en évidence une répulsion entre les deux objets, ce qui conduit à un éloignement des vésicules en suspension. Une loi d'échelle est proposée afin de caractériser cette interaction et est comparée à nos expériences et à des simulations numériques. Une estimation quantitative du coefficient de diffusion associé à cette interaction est alors fournie. Enfin, nous étudions la diffusion d'un amas de globules rouges dans un écoulement de Poiseuille afin de mesurer directement les coefficients de diffusion. Les expériences montrent que l'amas s'élargit en s'écoulant le long du canal, en suivant une loi de puissance indiquant un comportement sous-diffusif. Cet effet est confirmé par une analyse théorique de quelques cas limites.
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Dates et versions

tel-00672978 , version 1 (22-02-2012)
tel-00672978 , version 2 (06-09-2013)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00672978 , version 1

Citer

Aparna Srivastav. Hydrodynamic interactions and diffusion in vesicle and red blood cell suspensions. Fluids mechanics [physics.class-ph]. Université de Grenoble, 2012. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00672978v1⟩
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