Drop impact on solid : splashing transition and effect of the surrounding gas

par Zhen Jian

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Christophe Josserand.

Soutenue le 16-06-2014

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris , en partenariat avec Institut Jean Le Rond d'Alembert (laboratoire) .

Le jury était composé de Stephane Zaleski, Laurent Limat, Stéphane Vincent, José Bico, Jie Li, José-Maria Fullana, Pascal Ray.

  • Titre traduit

    Impact de goutte sur solide : la transition vers le splashing et l'effet du gaz environnant


  • Résumé

    Cette thèse porte sur la formation du splash lors de l'impact de gouttes sur substrat solide. Alors que l'influence du gaz environnant a souvent été négligé par le passé, des expériences récentes ont montré que la pression du gaz pouvait contrôler la formation du splash lors de l'impact. Dans cette thèse la formation du splash est étudiée lorsque deux paramètres du gaz varient: la densité et la viscosité dynamique, paramètres par leur rapport aux propriétés du liquide. Deux mécanismes de splash sont identifiés: le splash-jet lorsqu'un jet est formé avant le contact de la goutte avec le solide, le splash-détachement lorsque le splash se forme après le contact liquide-solide. Un diagramme de phase entre ces différents mécanismes est obtenu en fonction des paramètres du gaz. L'influence d'autres paramètres, en particulier l'angle de contact est également étudiée. Finalement, le cas de l'impact d'une goutte sur un liquide très visqueux est étudié à la fois théoriquement, numériquement et expérimentalement. Une méthode numérique originale a été développée afin de prendre en compte la frontière entre les deux liquides et le solide et la comparaison avec des expériences réalisées au laboratoire est très prometteuse. Suivant la valeur de la viscosité du liquide impacté, l'impact se comporte comme dans le cas d'un impact sur surface solide.


  • Résumé

    A splash is observed under certain conditions as drop impacts on solid. Gas has been generally neglected in the splashing mechanism because of the large liquid/gas density and viscosity ratio. However, experiments demonstrated recently a genuine role of the surrounding gas. Under incompressible assumption, this thesis aims to understand the gas effect in the splashing mechanism using both analytical and numerical methods. By changing the gas density or viscosity, two mechanisms of splashing are identified: ''jet-splash'' and ''detachment-splash''. Curved transition frontiers between outcomes in function of the density and viscosity ratio are found. Both gas inertial and viscous effects are crucial in the splashing formation. The creation and lift-up of the ejecta (the small jet for a jet-splash and the thin liquid sheet for a detachment-splash) is the origin of splash and an aerodynamic force makes the lift-up occur. The contact angle can influence the impact outcome, since a hydrophilic contact angle can eliminate a splash while a hydrophobic contact angle promotes the splash. Finally, drop impact on highly-viscous liquid is investigated. A theoretical model is proposed to deal with the triple-phase dynamics in the numerics. By increasing the viscosity of the liquid basin, dynamics varies from a ''wave-like regime'' to a ''solidification regime''. Experiments of an ethanol drop impacting on a highly-viscous liquid (honey) basin are executed. The basin performed as a solid and the complete suppression of splashing by decreasing the gas pressure is observed. Drop shapes predicted by simulations agree with the experiments.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université Pierre et Marie Curie. Bibliothèque Universitaire Pierre et Marie Curie. Bibliothèque électronique.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.