Dynamiques de gouttes funambules : applications à la fabrication de laine de verre

Dynamics of drops on fibers : applications to glass wool manufacturing

• Auteur / Autrice : Pierre-Brice Bintein
• Direction : David Quéré, Christophe Clanet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 28/01/2015
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physique et mécanique des milieux hétérogènes (Paris ; 1997-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-François Joanny, Élise Lorenceau, Marie Cécile Christine Lamblet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Dorbolo, Benjamin Dollet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aérodynamique

Diélectrophorèse

Électrocapillarité

Mots clés libres

Interfaces

Force capillaire

Imprégnation

Électrostatique

Aérodynamique

Tourbillons

Interfaces

Drops

Résumé

On considère dans cette thèse plusieurs situations dynamiques concernant des gouttes accrochées à des fibres,en mouillage total. Ces gouttes funambules se rencontrent au moment de la fabrication industrielle de laine de verre quand la colle projetée à l’état liquide lie les fibres de verre composant l’isolant thermique.Dans une première partie, nous étudions l’évolution spontanée d’une jonction liquide entre deux fils : une goutte mouillante aligne et attire les fibres qu’elle connecte et nous caractérisons la dynamique et l’intensité de ces interactions capillaires. En outre, si deux fibres se recentrent avec un angle aigu, une goutte à leur intersection s’étale dans le coin tandis qu’un excès de liquide progressera en sens inverse entre les fibres jusqu’au point où leur espacement est de l’ordre de leur rayon. Nous calculons cette distance critique et l’observons au sein de la laine de verre, révélant l’étalement possible du liant industriel avant séchage. L’influence de l’élasticité des fibres est discutée.Dans une seconde partie, nous proposons deux méthodes forçant le déplacement d’une goutte funambule isolée.Premièrement, un champ électrostatique établi entre une fibre conductrice et une contre-électrode provoque l’étalement irréversible d’une goutte isolante lorsque la surpression électrostatique l’emporte sur la surpression capillaire. Nous modélisons la dynamique de cet étalement diélectrophorétique comme un effet Marangoni. Deuxièmement,un flux d’air transverse à la fibre induit un mouvement de la goutte dans un sens aléatoire si le nombre de Reynolds associé dépasse la valeur critique où le sillage devient asymétrique. Nous modélisons la dynamique de cette translation comme un effet d’entraînement visqueux de la goutte par le tourbillon principal du sillage,alors que les interactions entre tourbillons expliquent la répulsion à longue distance entre plusieurs gouttes, leurs rebonds sur des obstacles solides ou leur capture par un obstacle placé en aval de l’écoulement.

This thesis deals with several dynamic situations involving drops hanging on fibers, in total wetting. Such drops can be found during the industrial process of glass wool manufacturing, as liquid glue is projected onto glass fibers in order to bind them and form the thermal insulator.In the first part, we study the spontaneous evolution of a liquid junction between two wires : a wetting drop makes the wires align and approach, and we characterize the dynamics and magnitude of these capillary interactions.Besides, a drop placed in the wedge between two fibers spreads in the corner, whereas an excess of liquid placed at the intersection spreads in the opposite direction until it reaches a spacing close to the fiber radius. We calculate this critical distance and observe it inside glass wool, revealing the possible spreading of industrial binder before it dries. The influence of elasticity is discussed.In the second part, we propose two ways to induce drop displacement. First of all, an electrostatic field between a conductive fiber and a counter electrode leads to the irreversible spreading of an insulating drop when the electricoverpressure exceeds the capillary overpressure. We model the dynamics of this dielectrophoretic spreading asa Marangoni effect. Secondly, a transversal air flow can induce the continuous motion of the drop in a random direction if the Reynolds number exceeds a critical value, at which point the wake becomes asymmetric. We model the dynamics of this translation as a viscous entrainment of the drop by the main vortex of the wake.The interactions between vortices are responsible for long-range repulsion between drops, their rebonds over solid obstacles and their capture by a downstream obstacle.