Gouttelettes secondaires aérosolisées par l’impact d’un jet de liquide sur une surface solide

Aerosolized secondary droplets by the impact of a liquid jet on a solid surface

• Auteur / Autrice : Modou Mbaye
• Direction : Christophe Josserand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie, mécanique et énergétique
• Date : Soutenance le 14/02/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Hydrodynamique de l'École polytechnique (Palaiseau, Essonne) - Laboratoire d'hydrodynamique
• Jury : Président / Présidente : Evelyne Gehin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Josserand, Gilles Bergametti, Frédéric Risso, Lyes Ait Ali Yahia, Stéphane Vincent, Mamadou Sow
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gilles Bergametti, Frédéric Risso

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fragmentation

Jets -- Fluides, Dynamique des

Aérosols

Mots clés libres

Jets de liquide

Fragmentation

Aérosol

Fraction de mise en suspension

Liquid jets

Fragmentation

Aerosol

Airborne release fraction

Résumé

La fragmentation de liquides qui conduit à la formation de microgouttelettes se produit dans des processus naturels tels que l’impact au sol des gouttes de pluie à l’origine de l’odeur caractéristique d’un début d’averse, ou la production d'aérosols d'embruns marins à la suite du déferlement des vagues. Certaines applications technologiques comme le refroidissement de surfaces chaudes par pulvérisation ou l’impression par jet d’encre tirent avantage de cette fragmentation. Dans d’autres situations, cette fragmentation est indésirable car elle pourrait donner lieu à la génération de microgouttelettes chargées en virus comme le SARS-CoV-2 ou en radionucléides. Dans l’industrie nucléaire en particulier, une fuite accidentelle de liquide contenant des radioéléments pourrait mettre en suspension dans l’air des particules nocives issues de microgouttelettes aérosolisées durant l’impact du liquide. Malgré son importance, la littérature sur la remise en suspension d’aérosols dans l'air lors de l’impact d’un jet de liquide est assez pauvre. Cette étude est novatrice sur l’étude de l’impact des gouttes et de jets du fait de son positionnement unique à la croisée de la dynamique des fluides et de la physique des aérosols. Le but de cette thèse est de quantifier la fraction massique d'aérosols mise en suspension lorsqu'un jet de liquide circulaire impacte sur une surface solide, en tenant compte des caractéristiques du jet en termes de vitesse, de diamètre et de morphologie ainsi que des propriétés physico-chimiques du liquide.Nous montrons que, lorsque le jet de liquide est dans le régime de Rayleigh (jet de liquide laminaire), si la hauteur d'impact est inférieure à la longueur de fragmentation du jet (impact en jet continu) alors la production d’aérosols est insignifiante. En revanche, si la hauteur d'impact est grande devant la longueur de fragmentation du jet (impact sous forme de trains de gouttes) alors des aérosols sont mis en suspension avec une fraction massique pilotée par un paramètre d’éclaboussure K qui caractérise la transition dépôt/éclaboussure lors de l’impact d’une goutte isolée sur une surface. Par ailleurs, la distribution granulométrique des aérosols, dans la gamme respirable (<10 µm), évolue avec les caractéristiques physico-chimiques des solutions, notamment la tension de surface. À partir de nos résultats expérimentaux, nous proposons une prédiction quantitative de la fraction d’aérosols mise en suspension lors de l’impact d’un jet de liquide, ouvrant ainsi la voie à un modèle plus général.

The fragmentation of liquids that leads to the formation of microdroplets occurs in natural processes such as the impact of raindrops on the ground, which produces the characteristic odor of a rainstorm, or the production of sea spray following the breaking of waves. Some technological applications such as the cooling of hot surfaces by spraying or inkjet printing take advantage of this fragmentation. In other situations, this fragmentation is undesirable because it could result in the generation of microdroplets loaded with viruses such as SARS-CoV-2 or radionuclides. In the nuclear industry particularly, an accidental leak of liquid containing radioelements could result in airborne particles from microdroplets aerosolized during the impact of the liquid. Despite its importance, the literature on the resuspension of aerosols in the air during the impact of a liquid jet is rather poor. This study is innovative on the study of droplet and jet impact due to its unique positioning at the crossroads of fluid dynamics and aerosol physics. The goal of this thesis is to quantify the mass fraction of aerosols suspended when a circular liquid jet impacts a solid surface, taking into account the characteristics of the jet in terms of velocity, diameter and morphology as well as the physicochemical properties of the liquid.We show that, when the liquid jet is in the Rayleigh regime (laminar liquid jet), if the impact height is lower than the break-up length of the jet (continuous jet impact) then the aerosol production is insignificant. On the other hand, if the impact height is higher than the break-up length of the jet (impact in the form of droplet trains) then aerosols are suspended with a mass fraction controlled by a splash parameter K which characterizes the deposition/splash transition during the impact of an isolated drop on a surface. Moreover, the particle size distribution of aerosols, in the respirable range (<10 µm), evolves with the physico-chemical characteristics of the solutions, especially the surface tension. From our experimental results, we propose a quantitative prediction of the fraction of aerosols suspended during the impact of a liquid jet, thus opening the way to a more general model.