Goutte soufflée : dynamique d'une goutte cisaillée par un écoulement d'air

Blown droplet : dynamics of a drop sheared by an air flow

• Auteur / Autrice : Antonio Chahine
• Direction : Julien Sebilleau, Dominique Legendre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 13/01/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique des fluides de Toulouse (1930-....)
• Jury : Président / Présidente : Camille Duprat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Sebilleau, Dominique Legendre, Camille Duprat, Romain Mathis, Jean-Philippe Matas, Élise Lorenceau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Limat, Christian Ruyer-Quil

Mots clés

Mots clés contrôlés

Essais en soufflerie aérodynamique

Hydrodynamique

Dynamique des fluides

Écoulement cisaillé

Mots clés libres

Mouillage

Détachement de goutte

Couche limite

Wetting

Droplet depinning

Boundary layer

Résumé

Le glissement de gouttes sur une surface sous l’effet d’un e\'coulement d’air est une situation courante que l’on rencontre les jours de pluie sur des vitres et des parebrises. Néanmoins, ces phénomènes de glissement sont encore assez mal compris, notamment à cause de l’hydrodynamique subtile proche de la ligne de contact. Ce travail de thèse se concentre sur la mise en mouvement et les régimes de glissement d’une goutte isolée dans un écoulement cisaillé de manière expérimentale et théorique. Les expériences ont été réalisées sur des plaques planes dont les conditions de mouillage ont été contrôlées par traitement de surface. Ces plaques planes sont ensuite placées en soufflerie pour assurer des écoulements d’air bien contrôlées qui ont été caractérisés par anémométrie à fil chaud. Deux liquides (eau et glycérol) ont été étudiés sur des substrats de verre hydrophobes. Ces expériences permettent de déterminer le seuil de mise en mouvement de la goutte et de caractériser les différents régimes dynamiques de la goutte pendant son glissement à l’aide de visualisations rapides simultanées de côté et de dessous. Le seuil de mise en mouvement des gouttes a été modélisé via un nombre de Weber critique et les transitions entre formes durant le glissement de la goutte par des nombres capillaires critiques dans le cas de couches limites laminaire et turbulente. Un régime original de glissement ou des ondes se développent à la surface de la goutte induisant un glissement sous forme de ''chenille'' a été aussi observé et analisé. Des mesures fil chaud derrière des formes de gouttes imprimées en 3D ont été aussi réalisées afin de quantifier le lien entre ces oscillations et les vortex qui se développent devant (à l’aval) de la goutte.

Droplets sliding on a surface under the effect of an airflow is a common situation that can be observed on a window or windshield during rainy days. Nevertheless, this situation is still not fully understood notably because of the subtle hydrodynamic near the contact line. This Ph.D. work aims to understand better the onset of sliding and the sliding regimes from experimental and theoretical approaches. Experiments were performed on horizontal substrates with controlled wetting conditions obtained thanks to surface treatment. These substrates are then placed in a wind tunnel to ensure well-controlled airflow that has been characterized by hot wire anemometry. Two liquids (water and glycerin) were tested on hydrophobic glass substrates. These experiments allow to measure the onset of sliding and the various sliding regimes thanks to simultaneous high-speed imaging of the droplet from the side and the bottom. The onset of sliding has been modeled with a critical Weber number and the transition between the shapes with critical capillary numbers for both laminar and turbulent boundary layers. A specific sliding regime where waves develop on the droplet free surface inducing a caterpillar like motion has been observed and analyzed. Hotwire anemometDry after 3D printed droplet shapes has also been performed to quantify the link between these waves and the vortices that develop at the front (downstream) of the droplet.