Understanding drop generation mechanisms in transversally vibrating membrane emulsification

par Aude Bertrandias

Thèse de doctorat en Génie des procédés

Sous la direction de Hervé Duval et de Marie-Laurence Giorgi.

Soutenue le 02-12-2016

à Paris Saclay , dans le cadre de Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux, géosciences , en partenariat avec CentraleSupélec (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire de génie des procédés et matériaux (Châtenay-Malabry, Hauts de Seine) (laboratoire) .

Le président du jury était Nicolas Iung.

Le jury était composé de Hervé Duval, Marie-Laurence Giorgi.

Les rapporteurs étaient Huai Zhi Li, Dominique Legendre.

  • Titre traduit

    Compréhension des mécanismes de formation des gouttes en émulsification membranaire assistée par vibrations transversales


  • Résumé

    Dans certaines conditions, une baisse significative de la taille des gouttes se produit en émulsification membranaire avec vibrations transversales. Pour comprendre les mécanismes impliqués, nous avons développé deux dispositifs expérimentaux, dans lesquels une goutte unique est formée à travers un capillaire dans une phase externe, qui est soit stationnaire, soit en écoulement. Le capillaire peut être mis en vibration parallèlement à son axe.Lorsque la phase externe est stationnaire, au-delà d’une amplitude seuil de forçage, la taille des gouttes formées diminue significativement. La goutte entre en résonance quand sa fréquence propre coïncide avec la fréquence de forçage et elle se détache si elle atteint une élongation critique. La goutte est modélisée comme un oscillateur harmonique linéaire forcé. Un terme d’amortissement additionnel décrit la dissipation visqueuse entre la goutte et la surface du capillaire. Ce modèle prédit bien les amplitudes seuils et les diamètres de gouttes.Lorsque la phase externe s’écoule, nous avons étudié deux régimes de formation de gouttes, en goutte à goutte (dripping) ou à partir d’un jet (jetting). Expérimentalement, la transition du dripping au jetting se produit à un nombre de Weber interne seuil, dont la valeur dépend des nombres capillaire et d’Ohnesorge externes. Le jet se rétrécit (narrowing) ou s’élargit (widening) selon le rapport de vitesses des phases choisi. En dripping, les diamètres de gouttes sont bien prédits par un bilan des moments. En jetting, un modèle basé sur l’équation du mouvement permet d’estimer la vitesse critique permettant la transition au jetting et les diamètres de gouttes résultants.


  • Résumé

    In transversally vibrating membrane emulsification, significantly smaller drops are generated in certain conditions. We aim to explain the mechanisms involved. To do so, two experimental setups were developed. A single drop is formed from a nozzle into an outer phase, which is either stationary or cross-flowing. The nozzle can be submitted to axial vibrations.For a drop formed into a stationary phase, a transition in drop generation occurs above a critical forcing amplitude. Below the threshold, a large drop forms by dripping. Above the threshold, a drop detaches when its first eigenfrequency and the forcing frequency coincide. The drop then resonates and detaches once a critical elongation ratio is reached. We model a drop as a linearly forced harmonic oscillator and add an extra damping term to account for the viscous dissipation between the drop and nozzle surface. We well reproduce the threshold amplitudes and drop diameters.We also study drops generated into cross-flow. In dripping mode, drop diameters are described by a torque balance. At a critical inner Weber number function of the outer capillary and Ohnesorge numbers, a transition to jetting occurs. Jet widening or narrowing takes place depending on the phase velocity ratio. We propose a model to account for the transition to jetting based on the drop equation of motion. Overall, we adequately account for the jetting velocity and drop diameters, with discrepancies which were explained.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 02-06-2017


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