Evaporation de gouttes sessiles : de la dynamique d'écoulement à l'assemblage de nano-particules

Flow motion in sessile droplets : evaporation and nanoparticles assembly

• Auteur / Autrice : Florian Carle
• Direction : David Dominique Brutin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Soutenance le 08/09/2014
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille ; 2000-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Colinet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Garnier, Khellil Sefiane
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean Colombani, Béatrice Guerrier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de chaleur

Interfaces solide-liquide

Mouillage (chimie des surfaces)

Mots clés libres

Changement de phase

Transfert de chaleur

Evaporation

Goutte

Microgravité

Nanofluides

Craquelures

Dépot

Mouillage

Heat transfer

Phase change

Evaporation

Drops

Microgravity

Nanofluids

Cracks

Deposit

Wetting

Résumé

L'évaporation d'une goutte reposant sur un support plat semble être un système relativement simple à étudier et a fait l'objet d'études scientifiques depuis plus d'un siècle. Cependant, l'étude de l'évaporation de gouttes sessiles est toujours d'actualité aujourd'hui avec l'essor de nouvelles techniques de visualisation ou de l'apparition de nouveaux types de fluides complexes.Cette étude expérimentale sera focalisée sur deux aspects distincts :- L'étude sur l'évaporation de fluides purs permettra d'étudier la dynamique d'évaporation et les ondes hydrothermales qui apparaissent dans les gouttes de fluides volatils lors du changement de phase. L'influence du type de fluide (différents alcools et alcanes) et du niveau de gravité (terrestre, lunaire et martienne) seront étudiés. De plus, l'utilisation de différents niveaux de gravité permet de développer un modèle empirique afin de prendre en compte dans le modèle quasi-stationnaire limité par diffusion de la vapeur la convection naturelle qui augmente fortement le débit d'évaporation.- Si les fluides complexes présentent une dynamique de séchage similaire à celle des fluides purs, d'autres mécanismes entrent en jeux, comme la gélification, l'organisation des particules et l'apparition de craquelures (voir Figure 2). Le mouillage et les différents groupes fonctionnels graphés sur les particules seront étudiés en regard du motif final de craquelures.

Sessile droplets are widely found in day to day life: it might be a coffee spilt, rain onto a waterproof raincoat or again, water falling onto a cooking plate. However, despite the vast number of studies devoted to droplets for almost half a century, the fundamental phenomenon of the evaporation of sessile droplets is still a field that attracts a high level of interest due to its wide applicability and the development of new visualisation techniques or new types of complex fluids. This experimental study is focused two distinct aspects:- The evaporation of pure fluids has allow to study hydrothermal waves that appear in the droplets of volatile fluids during phase change. The influence of the type of fluid ---different alcohols and alkanes--- and the gravity levels ---Terrestrial, Lunar and Martian--- is investigated to have a better understanding of the flow motion inside droplet. Moreover, the use of different gravity levels allows to experimentally evidence the contribution of the atmospheric convective transport to sessile droplet evaporation. This investigation has allowed to develop an empirical model to take account of natural convection which greatly increases the evaporation rate in the quasi-steady diffusion-controlled evaporation model.- If complex fluids exhibit an evaporation dynamic similar to pure fluid, other mechanisms come into play, such as gelation, particles organisation and cracks formation. Wetting and different functional groups on the particles graphs will be studied in relation to the final pattern of cracks.