Évaporation de gouttes sessiles : hydrodynamique et morphologie des dépôts salins

Evaporation of sessile droplets : hydrodynamics and salt deposit patterns

• Auteur / Autrice : Cécile Lalanne
• Direction : José-Maria Fullana, Florence Lequien
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 11/03/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Le Rond d'Alembert (Paris ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Duchemin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Élise Lorenceau, Christophe Josserand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Dorbolo, Christophe Poulard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Corrosion

Évaporation

Sel

Gouttes

Hydrodynamique

Mots clés libres

Goutte sessile

Évaporation

Ligne de contact

Tension de surface

Dépôt salin

Chlorure de sodium

Sessile droplet

Evaporation

Triple contact line

Surface tension

Salt deposit

Sodium chloride

Résumé

Polluants, comme le chlorure de sodium, sur certains matériaux peut conduire à des phénomènes de corrosion atmosphérique. La prédiction et la compréhension de ces phénomènes de corrosion sont étroitement liées à la dynamique de la goutte, et notamment à l’évaporation de celle-ci. Les paramètres ambiants comme l’humidité relative, la température, le matériau du substrat ainsi que la composition de la goutte, par exemple sa concentration en polluant, modifient la dynamique d’évaporation et influencent le temps caractéristique de la corrosion. Les dépôts laissés après évaporation témoignent d’une hydrodynamique complexe et indiquent les potentiels sites de corrosion. Anticiper les zones de corrosion se révèle crucial dans de nombreuses applications industrielles pour limiter la dégradation des matériaux. Cette étude cherche à mieux comprendre la dynamique d’évaporation des gouttes sessiles, à travers des études paramétriques, avec des simulations numériques et des essais expérimentaux. Des gouttes d’eau pure sont considérées dans un premier temps, afin de simplifier le système étudié et d’analyser les différents modes. Des gouttes de solution saline sont étudiées dans un second temps. Lors de l’évaporation le sel se concentre de façon non homogène à l’intérieur de la goutte entraînant des gradients de tension de surface. Ces contraintes le long de l’interface, dites de Marangoni, donnent naissance à des écoulements internes. En fonction de la concentration initiale en polluant, de l’humidité relative, et de la taille de la goutte la morphologie des dépôts salins qui en résulte est analysée.

In humid environments, the formation of sessile droplets containing pollutants, such as sodium chloride, on certain materials can lead to atmospheric corrosion phenomena. The prediction and understanding of these corrosion phenomena are closely linked to the dynamics of the droplet, and in particular to its evaporation. Ambient parameters such as relative humidity, temperature, substrate material as well as the composition of the droplet, e.g. its pollutant concentration, modify the evaporation dynamics and influence the characteristic time of corrosion. Salt deposits left after evaporation show complex hydrodynamics and indicate potential corrosion sites. Anticipating corrosion zones is crucial in many industrial applications to limit material degradation. This study seeks to better understand the evaporation dynamics of sessile droplets,through parametric studies, with numerical simulations and experimental tests. Pure water droplets are first considered, in order to simplify the studied system and to analyze the different modes. Droplets of saline solution are studied in a second time. During evaporation, salt concentrates inhomogeneously inside the droplet causing surface tension gradients. These stresses along the interface, called Marangoni stresses, give rise to internal flows. Depending on the initial concentration of pollutant, the relative humidity, and the size of the droplet, the morphology of the resulting salt deposits is analyzed.