Déstabilisation, rupture et fragmentation spontanées et stimulées de films liquides

Résumé

Placée sous le signe de la fragmentation liquide, cette thèse met l'emphase sur une série d'étapes pouvant, d'un film suspendu, mener à une assemblée de gouttes : déstabilisation, rupture puis fragmentation. Elle prend appui sur des expériences originales, analysées à l'aide de modèles à la portée générale. En guise de prologue, capillarité, cisaillement et viscosité sont discutées à travers l'étude de la déstabilisation Marangoni d'un filament d'huile visqueuse déposé à la surface de l'eau. La mise en mouvement du filament, pilotée par une différence de tensions de surface, produit une cascade critique auto-similaire, accélérée jusqu'à la dilution complète de l'huile, miscible à l'eau. Sur un film, l'effet Marangoni créé par un déficit localisé de tension de surface, dont le support (la température ou un soluté) diffuse, engendre sa déstabilisation, étudiée au deuxième chapitre. L'analyse linéaire exhibe une échelle de temps inertielle basée sur le cisaillement surfacique, sur laquelle s'établit un écoulement interstitiel, caractérisé expérimentalement. Le scénario introduit un nombre de Péclet, critère pour la rupture spontanée des films épais. Les conséquences sur la stabilité finale du film sont explorées au troisième chapitre, avec la revue des possibles régularisations. La dynamique de rupture est interprétée en termes de choc. Enfin, suivant la rupture d'un film en divers points, la collision de cylindres liquides est isolée en tant que mécanisme individuel de fragmentation. L'analyse détaillée de l'impact révèle la transition entre deux régimes, vers des gouttes de plus en plus fines

mots clés

Titre traduit

Spontaneous, and stimulated, destabilization, rupture and fragmentation of liquid films
Résumé

This thesis deals primarily with liquid films fragmentation. It consists, thanks to quantitative and original experiments, in the transformation of a free suspended film into a collection of droplets: destabilization, rupture, and fragmentation.In a prologue, notions of capillarity, momentum transfer and viscosity are introduced by the Marangoni-driven destabilization of a thin thread of viscous oil on water. The difference of surface tension feeds an accelerated, critical, self-similar cascade which ends up with the complete dilution of oil into water. When applied to a free film, the Marangoni effect driven by a localized deficit of surface tension, whose carrier (temperature or a solute) is diffusing into the liquid, destabilizes it (chapter two). The linear instability analysis points out the crucial role of an inertial timescale based on the surface shear stress. Experiments validate the prediction of an interstitial flow, which digs out the film in the case of a surface tension deficit. These observations offer new insights into a long-standing problem, namely the spontaneous nucleation of holes on planar liquid films.The third chapter investigates the consequences of the linear instability, as far as the film final stability is concerned, reviewing possible regularizations. The rupture dynamics is described within the framework of shocks. In the final chapter, the collision of liquid cylinders is identified as an individual mechanism for liquid fragmentation. The impact dynamics is analyzed, leading to two principal fragmentation regimes. The onset to the splashing one, which produces fine and fast droplets, is described