Academic literature on the topic 'Gouttes et bulles'

Au cours de cette these, nous avons cherche a decrire la dynamique des films visqueux et viscoelastiques suspendus. Nous avons mis en evidence les differences profondes entre ces objets et les films de savon pour lesquels les donnees theoriques et experimentales sont nombreuses. Le drainage d'un film visqueux forme autour d'une bulle d'air a la surface d'un bain de liquide a ete etudie, en l'absence de surfactant. L'affinement du film est exponentiel, ce qui est compatible avec un modele d'ecoulement bouchon que nous avons developpe. Un trou forme dans un film visqueux s'ouvre exponentiellement avec le temps. Au cours de l'eclatement, le film reste plan et ne presente aucun bourrelet en bordure du trou. Ces resultats ont ete demontres pour deux type de liquide, un fondu de polymere enchevetre et un verre fondu, et interpretes par un modele viscoelastique original que nous avons elabore. Nous nous sommes egalement interesses (experimentalement et theoriquement) a la formation d'un film fin visqueux par etalement d'une goutte sur un substrat non miscible et de tres basse viscosite. La dynamique de l'etalement est alors controlee par les ecoulements de type bouchon se produisant dans la goutte. Enfin, nous avons etudie la dynamique de croissance d'un pont capillaire forme entre un bain de liquide et un substrat solide separes par une fine couche d'air, en regime visqueux et inertiel. Nous avons observe une croissance lineaire en temps de la zone de contact. Nous avons alors etudie la dependance de cette vitesse de croissance en fonction de l'epaisseur du film d'air intercale.

Les phénomènes interfaciaux impliqués dans les écoulements polyphasiques existent dans de nombreux procédés industriels. Des gouttes et des bulles sont des éléments typiques pour comprendre les phénomènes interfaciaux. Ainsi, cette thèse étudie les gouttes (bulles) impliquées dans la manipulation d’une interface, y compris la rupture de l'interface, le mouvement d’une goutte sur une surface superhydrophobe et le contact sur un support solide à l’aide d’un système d'acquisition pour des signaux électriques. Dans la première partie, une caméra rapide est utilisée pour étudier la dynamique de pincement des fluides homogènes et des ferrrofluides hétérogènes à travers des systèmes confinés et non-confinés liquide-liquide ou liquide-gaz. L'effet de compétition entre les différentes forces telles que la poussée d’Archimède, la force magnétique, la gravité et la tension interfaciale sur la rupture finale d’un fluide interne dans un environnement fluide externe est démontré et quantifié. La deuxième partie est consacrée à la manipulation d’une goutte aqueuse à l’aide d’une interface superhydrophobe sous deux angles distincts : saut d’obstacle de la goutte sur une surface solide revêtue d’une couche superhydrophobe ; déshabillement d’une goutte enveloppée de particules superhydrophobes dite "marbre liquide" sur un film huileux. Le comportement dynamique du saut d’obstacle et du déshabillement des gouttes est quantifié et comparé dans des conditions opératoires très différentes telles que la viscosité, la tension interfaciale, la géométrie d’obstacle, etc. La troisième partie est dévolue au contact d’une goutte sur un support solide: contact initial, étalement, et pincement final des fluides tant newtoniens que non newtoniens, grâce à une méthodologie combinant la caméra rapide et un système d'acquisition ultra-rapide d’un signal électrique
The interfacial phenomena in multiphase flows widely exist in numerous industrial processes. Drops and bubbles are typical models to investigate these interfacial phenomena. Thus this thesis investigates the drop (bubble) involved interface manipulation, including the breakup of interface, drop’s motion on superhydrophobic surface and Dripping-on-Substrate with an acquisition system of electric signals. In the first part, the pinch-off dynamics of homogenous fluids and heterogeneous ferrrofluids, unconfined liquid-liquid (liquid-gas) or confined liquid-liquid systems was investigated by a high-speed camera. The effect of buoyancy, magnetic force, gravity and interface tension between internal and external fluids on the final pinch-off was demonstrated and quantified. The second part focuses on the drop manipulation on superhydrophobic interface through two distinct approaches: superhydrophobic coating on a substrate and superhydrophobic particles enveloping a liquid drop to form “liquid marble”. The hurdling behavior of liquid drops on superhydrophobic obstacles and undressing dynamics of liquid marbles on oil films were discussed and the slope motion of liquid drops and liquid marbles were then compared. The third part concentrates on the Dripping-on- Substrate behavior: initial contact and spreading on a solid surface, final pinch-off of Newtonian fluids and filament thinning of non-Newtonian fluids, through a methodology combining the high-speed camera and ultra-high-speed acquisition device of an electric signal

Le travail présenté concerne le développement d'un outil de simulation d'écoulements diphasiques dont les rapports de densité et de viscosité peuvent être grands, prenant en compte les effets capillaires, et où les interfaces évoluent librement sur un maillage fixe. Les applications visées concernent aussi bien les problèmes posés par le génie des procédés que par la propulsion ou les échanges océan-atmosphère. Le transport de ces interfaces est assuré par une méthode de capture de front sans reconstruction d'interface. On montre que cette méthode épaissit les zones interfaciales dans les régions de fort étirement et on propose une méthode de modification de la vitesse dans ces zones qui permet de s'affranchir du problème. L'outil numérique ainsi amélioré permet l'étude détaillée de plusieurs aspects de la dynamique des écoulements à bulles et à gouttes intervenant sur une gamme d'échelles de longueur allant de quelques dizaines de microns à quelques centimètres dans des configurations axisymétriques ou pleinement tridimensionnelles. Des simulations concernant la microfluidique sont comparées à des expériences très récentes. Enfin une étude de la dynamique d'une suspension comprenant jusqu'à 27 bulles a permis notamment de mettre en évidence l'influence du nombre de Reynolds des bulles sur l'intensité des fluctuations de vitesse qu'elles induisent dans le liquide
This work deals with the development of an interface-capturing method aimed at computing three-dimensional incompressible two-phase flows that may involve high density and viscosity ratios and capillary effects. The applications we have in mind concerns chemical engineering as well as environmental problems. We use a front-capturing method to advance the interface but do not perform any explicit reconstruction. We show that the base version of this method results in a smearing of the fronts in regions where the flow undergoes a stray stretching. We propose an improved technique in which the local velocity field within the fronts is modified and the above problem is fixed. This algorithm allows the interfaces to deform properly while maintaining the numerical thickness of the transition region within three computational cells. A detailed study of several aspects of the dynamics of two- and three-phase flows, such as drops in microchannels or hydrodynamic interactions in a bubble swarm, is then performed in both axisymmetric and three-dimensional configurations. The results concerning microfluidics are compared with very recent experiments. Finally, a study of the dynamics of a bubbly suspension involving up to 27 bubbles allow us among other things to enlighten the influence of the bubbles Reynolds number on the velocity fluctuations induced in the liquid

Le processus d'atomisation est influencé par la déformation et la rupture des gouttes, qui à leur tour affectent la distribution finale de la taille des gouttes. La turbulence est un phénomène prépondérant lors de l'atomisation secondaire.Plusieurs auteurs ont établi un lien entre la rupture des gouttes liée à la turbulence et les oscillations libres de celles-ci en montrant que, même pour de faibles niveaux de turbulence, les gouttes se brisent en raison d'un mécanisme de résonance. Ce phénomène est à la base de la présente étude.Comme point de départ de ce travail, les oscillations linéaires théoriques des gouttes sont examinées d'un point de vue théorique et numérique.Le mouvement oscillatoire de premier ordre d'une gouttelette initialement déformée, compte tenu des effets dynamiques du fluide environnant, est décrit.Ensuite, les oscillations et la rupture d'une gouttelette liquide sphérique unique, initialement non perturbée, soumise à un milieu turbulent homogène et isotrope, sont étudiées.Un cadre théorique pour les oscillations des gouttes est développé à l'aide d'une décomposition en harmoniques sphériques qui suit la déformation de la surface depuis son état initial jusqu'à juste avant sa rupture.Cette approche relie l'amplitude de la déformation de la goutte d'eau par petites perturbations aux paramètres et aux propriétés du milieu turbulent, ce qui nous permet d'observer comment la turbulence excite les différents modes, conduisant finalement à la rupture.Nous relions ce phénomène à la théorie de la stabilité linéaire et analysons comment la durée de vie des gouttes est associée aux statistiques de turbulence pour l'ensemble des valeurs caractéristiques.Pendant la déformation des gouttes, des perturbations d'origines diverses favorisent la croissance de structures liquides de tailles et de formes variées.En particulier, les régions présentant de la contraction (goulots d'étranglement) et d'accumulation (dilatation) peuvent indiquer l'avènement d'une rupture.Pour prédire avec précision les événements de rupture, il est essentiel de prendre en compte la nature multi-échelle de ces systèmes.L'évolution temporelle de la distribution des échelles est utilisée pour identifier toutes les dynamiques impliquées dans le processus de déformation à chaque échelle tout au long de la durée de vie de la goutteletteLe problème est abordé par simulation numérique directe des équations de Navier-Stokes à deux phases à l'aide du code interne ARCHER.En combinant ces trois analyses, la durée de vie de la gouttelette est étudiée en deux parties : Premièrement, le mouvement oscillatoire et la fréquence des différents modes présents dans la déformation à travers le cadre harmonique sphérique afin de mettre en lumière le mécanisme de résonance. Deuxièmement, l'évolution temporelle de la distribution d'échelle par une analyse multi-échelle à la fin de la durée de vie de la goutte
The atomization process is influenced by the deformation and breakup of droplets, which in turn affects the final distribution of droplet size. Several authors have related the breakup of droplets due to turbulence to their free oscillations and have shown that even, for low turbulence levels, droplets break due to a resonant mechanism. This phenomenon provides the foundation for the present study.As a baseline of this work, the theoretical linear shape oscillations of droplets are first examined from both theoretical and numerical perspectives.The first-order oscillatory motion of an initially deformed droplet, considering the dynamic effects of the surrounding fluid, is described.Subsequently, the oscillations and breakup of a single, initially unperturbed, spherical liquid droplet subjected to a homogeneous and isotropic turbulent medium are investigated.A theoretical framework for droplet oscillations is developed using a spherical harmonic decomposition that tracks the deformation of the surface from its initial state to just before its breakup as an expansion of each mode of deformation.This approach links the small perturbation amplitude deformation of the droplet to the parameters and properties of the turbulent medium, allowing us to observe how turbulence excites the different modes, ultimately leading to breakup.We relate this phenomenon to linear stability theory and analyse how the droplet lifetime is associated with the turbulence statistics for the ensemble of characteristic values.During droplet deformation, perturbations of different origins favour the growth of liquid structures of various sizes and shapes.Notably, regions exhibiting contraction (bottlenecks) and accumulation (swelling) patterns may indicate potential breakup events.To accurately predict breakup events, it is essential to consider the multiscale nature of these systems.The temporal evolution of the scale distribution is used to identify all the dynamics involved in the deformation process at each scale throughout the droplet's lifetimeThe problem is approached by direct numerical simulation of the two-phase Navier-Stokes equations using the in-house code ARCHER.By combining these three analyses, the lifetime of the droplet is studied in two parts: First, the oscillatory motion and frequency of the different modes present in the deformation through the spherical harmonic framework to shed light on the resonance mechanism. Second, the temporal evolution of the scale distribution through a multiscale analysis at the end of the droplet lifetime

Intercaler une phase intermédiaire (gazeuse ou granulaire) entre une goutte et une surface crée une situation de mouillage nul. Nous étudions expérimentalement les conséquences de la présence de cette phase sur le mouvement des gouttes d'eau. Dans une première partie, nous nous intéressons à des situations de non-mouillage induites par la présence d'un film gazeux entre le liquide et la surface. Une conséquence de la présence de ce film est la mise en mouvement d'une goutte en caléfaction sur une surface chaude de profil périodique et asymétrique (en forme de toit d'usine). Nous mettons en évidence que l'écoulement asymétrique du gaz dans le film de vapeur entre la goutte et la surface provoque la propulsion de la goutte par effet fusée. À l'inverse, la faible épaisseur du film isolant peut induire une dissipation visqueuse supplémentaire que l'on observe par exemple lors du rebond d'une bulle de savon sur un liquide. La deuxième partie de ce travail est consacrée à une autre situation de non-mouillage réalisée par l'ajout de grains à la surface d'une goutte (appelée goutte enrobée). On forme alors une interface composite, à la fois capillaire et granulaire qui peut présenter un caractère fortement dissipatif : lorsque la densité de grains est faible, son comportement est celui du liquide qui la compose mais lorsque la densité de grains à la surface approche des densités du jamming, caractère granulaire de l'interface l'emporte. Le frottement entre grains détermine alors la forme ainsi que la dynamique des gouttes enrobées. Nous montrons que la rhéologie de ces interfaces est alors similaire à celle des écoulements granulaires denses.

La thèse porte sur l’étude de l’influence des textures sur le mouillage et la propulsion. Trois situations ont été considérées, selon la taille des textures utilisées.Des textures nanométriques hydrophobes permettent d’obtenir des surfaces aérophiles. Lorsque ces surfaces sont immergées dans un bain, elles restent recouvertes d’un fin film d’air et ouvrent toute une classe de nouveaux problèmes de mouillage, où les interfaces gaz – liquide sont inversées par rapport aux situations traditionnelles. Nous avons décrit l’étalement d’une bulle d’air sur une surface aérophile, la dépression capillaire ou encore la dynamique de bulles sur des fils.En situation de lévitation, des textures de l’ordre du millimètre permettent de rediriger efficacement le flux d’air qui sépare un objet de son support. L’écoulement étant contrôlé, une direction privilégiée peut être choisie et l’objet se trouve alors efficacement propulsé. Selon l’emplacement des textures, un entrainement visqueux ou une propulsion par effet fusée peuvent être observés.Sur des créneaux millimétriques recouverts de nanotextures hydrophobes, l’eau est en situation non-mouillante. Il suffit d’une toute petite inclinaison de la surface pour qu’une goutte dévale, et elle atteint rapidement des vitesses importantes puisque la friction est très faible. La présence des macrotextures sur la surface permet de ralentir considérablement la goutte : l’étude a porté sur l’optimisation du contrôle d’une goutte, éventuellement visqueuse
This thesis deals with the influence of textures on wetting and propulsion. Three situations have been considered, depending on the texture size.Aerophilic surfaces can be obtained with hydrophobic nanometric structures. When immerged in a liquid bath, these surfaces remain covered by a thin plastron of air. This oppens a new class of problems where gas – liquid interfaces are exchanged, compared to usual studies. We described the spreading of an air bulle over an aerophilic surface, capillary depression and the dynamics of a bubble on a wire.Millimetric sutructures allow an efficient redirection of the air cushion between a levitating object and its substrate. Because the flux is controlled, a specific direction can appear, and the object is efficiently propelled. Depending on the textures location, viscous entrainement or rocket effect can be the propulsive mechanism.Hydrophobic nanotextures are used to generate non-wetting situation of water. A tiny angle of tilt of the surface is enough to see a drop mouving; its velocity is high because of the low friction. Macrotextures, as millimetric crennels slow down very efficiently the drop: the study optimized the control of the drop (possibly viscous) motion

Le développement de différentes formes colloïdales pour la thérapie et le diagnostic médical ultrasonore connait un intérêt croissant depuis de nombreuses années. En particulier, les microbulles de perfluorocarbone (PFC) sont des agents de contraste intéressants, car le gaz est un puissant réflecteur des ultrasons. Plus récemment, les gouttelettes de PFC ont été proposées pour de nouvelles applications acoustiques. Suite à une impulsion acoustique, les ultrasons induisent un changement de phase de l’état liquide à l’état gazeux. Ce phénomène est appelé la vaporisation acoustique de gouttelettes. Parallèlement à l’étude de nouvelles applications, le développement de nouvelles techniques de préparation offrant un meilleur contrôle lors de la production, reste un enjeu primordial. Ainsi, de nouvelles méthodes de préparation basées sur des dispositifs membranaires semblent être particulièrement intéressantes. L’objectif de la thèse porte donc sur le développement de nouvelles techniques à membrane pour la formulation de microbulles et de microgouttelettes de taille contrôlée pour des applications en imagerie et thérapie ultrasonore. Dans ce travail, l’émulsification membranaire directe avec un module membranaire de type cross-flow a été utilisé pour la préparation de microbulles stabilisées par des tensioactifs solubles, tandis qu’un module de type microkit a permis l’obtention de microbulles stabilisées par des phospholipides. Dans un second temps, l’émulsification membranaire par prémix a permis de formuler des microgouttelettes de PFC monodispersées. Pour les différentes formes colloïdales préparées, nous avons observé l’influence des paramètres du procédé (pression, débit et contrainte de cisaillement), des paramètres de formulation (molécules stabilisatrices, type de PFC de la phase dispersée) et des paramètres de la membrane (taille des pores) sur la formation des microbulles/ microgouttelettes. Par la suite, la caractérisation acoustique des microbulles/microgouttelettes a montré que ces systèmes présentent les propriétés nécessaires pour être utilisés comme agents de contraste ultrasonores
The development of various colloidal forms for therapy and diagnosis in ultrasound medical present a great interest for many years. In particular, microbubbles of perfluorocarbon (PFC) are interesting as contrast agents because the gas is a high ultrasound reflector. More recently, PFC droplets have been proposed for news acoustic applications. Indeed, after an acoustic pulse, the ultrasound waves induce a phase change from the liquid state to the gaseous state. This phenomenon is called the acoustic vaporization of droplets. In parallel with the study of new applications, the development of new process offering a better control during production, remains a key issue.Thus, the preparation using news methods based on membrane devices seem to be particularly interesting. The aim of the thesis is the development of new membrane process for the formulation of microbubbles and droplets with a size controlled for ultrasound applications in imaging and therapy. In this work, the direct membrane emulsification with a cross-flow membrane module was used for the preparation of microbubbles stabilized by soluble surfactants, while a microkit module allowed to obtain microbubbles stabilized by phospholipids. In a second step, the membrane emulsification by premix allowed to formulate monodispersed droplets of PFC. For the various colloidal forms prepared, we observed the influence of the process parameters (pressure, flow rate and shear stress), the formulation parameters (surfactants, type of PFC of the dispersed phase) and the membrane parameters (pore size) on the formation of microbubbles/droplets. Subsequently, the acoustic characterization of microbubbles/droplets has shown that these systems have the properties to be used as ultrasonic contrast agents

Ce travail est consacré à l'étude expérimentale des écoulements diphasiques et triphasiques d'inclusions (bulles, gouttes, sphères) en milieux tant newtoniens que non newtoniens à l'échelle microscopique et mésoscopique, en utilisant la visualisation par une caméra rapide, la vélocimétrie par images des particules (PIV) ainsi que la micro-vélocimétrie par images des particules.

Des bulles et des gouttes ont été étudiées expérimentalement depuis leur formation, en passant par leur déformation jusqu'à leur coalescence. La formation de bulles dans des micro-mélangeurs a été étudiée et caractérisée par l'obtention de champs de vitesses. Différents paramètres, tels que le cisaillement, la géométrie de la zone de formation, les débits ou encore les propriétés physiques ont été testés afin de développer des lois d'échelles.

La traversée d'une interface liquide-liquide par une inclusion a été abordée par des expériences originales, permettant de décrire la dynamique du phénomène, de définir des nombres adimensionnels et de mettre en évidence des instabilités interfaciales. L'effet Weissenberg a également été étudié aux différentes échelles afin de comprendre les phénomènes conduisant à son amplification.

Enfin, en milieu viscoélastique et rhéofluidifiant, nous avons caractérisé l'écoulement autour d'une inclusion isolée solide par l'obtention de champs de vitesses. Ces résultats ont permis de confirmer l'origine viscoélastique du sillage négatif et de prédire ses caractéristiques.

L’un des problèmes majeurs rencontré dans la simulation directe des écoulements diphasiques concerne le suivi précis des interfaces au cours du temps et la gestion des changements de topologie (déformation, rupture, coalescence). Les méthodes de simulation où les interfaces évoluent librement sur un maillage fixe permettent de décrire efficacement ces changements de topologie. Le travail présenté ici concerne le développement d’un outil numérique efficace permettant de décrire des écoulements diphasiques dont les rapports de densité et de viscosité peuvent être grands et prenant en compte les effets capillaires. Les applications visées concernent aussi bien les problèmes posés par le génie des procédés que par la propulsion ou les échanges océan-atmosphère. Le transport des interfaces est assuré par une méthode de capture de front sans reconstruction. On montre que la version de base de cette méthode épaissit les zones interfaciales dans les régions où l’écoulement est fortement étiré et on propose une technique de modification de la vitesse dans ces zones qui permet de s’affranchir du problème. Le nouvel algorithme permet aux interfaces de se déplacer librement tout en conservant une épaisseur numérique constante d’environ trois cellules de calcul. Il est testé sur de nombreux écoulements non uniformes et la méthode globale est validée sur différents problèmes de complexité croissante par comparaison avec d’autres résultats théoriques, expérimentaux ou numériques de référence. L’outil numérique ainsi amélioré permet l’étude détaillée de plusieurs aspects de la dynamique des écoulements à bulles et à gouttes intervenant sur une gamme d’échelles de longueur allant de quelques dizaines de microns (mélange dans une goutte en micro-canal) à quelques centimètres (interactions au sein d’un nuage de bulles) dans des configurations axisymétriques ou pleinement tridimensionnelles. Les résultats concernant la microfluidique sont comparés à des expériences très récentes. Une série importante de simulations concernant la montée d’une bulle à travers un liquide, voire deux liquides superposés, est ensuite discutée et validée par rapport aux résultats de la littérature. Enfin des simulations tridimensionnelles de la dynamique d’une suspension comprenant jusqu’à 27 bulles ont été réalisées et analysées. Ces simulations permettent notamment de mettre en évidence l’influence du nombre de Reynolds des bulles sur l’intensité des fluctuations de vitesse qu’elles induisent dans le liquide. ABSTRACT One of the major technical issues in the area of direct simulation of incompressible two-phase flows is to deal with an accurate tracking of interfaces as time proceeds and with changes in interface shape and topology. Numerical methods where interfaces freely evolve on a fixed grid have proved to be efficient for treating such complex phenomena. This work deals with the development of an interface-capturing method aimed at computing three-dimensional incompressible two-phase flows that may involve high density and viscosity ratios and capillary effects. The applications we have in mind concerns chemical engineering as well as environmental problems. We use a front-capturing method to advance the interface but do not perform any explicit reconstruction. We show that the base version of this method results in a smearing of the fronts in regions where the flow undergoes a stray stretching. We propose an improved technique in which the local velocity field within the fronts is modified and the above problem is fixed. This algorithm allows the interfaces to deform properly while maintaining the numerical thickness of the transition region within three computational cells. The overall transport algorithm is tested in several nonuniform flows and the whole numerical method is validated by comparing computational results with analytical solutions and available experimental or numerical data. A detailed study of several aspects of the dynamics of two- and three-phase flows, such as drops in microchannels or hydrodynamic interactions in a bubble swarm, is then performed in both axisymmetric and three-dimensional configurations. The results concerning microfluidics are compared with very recent experiments. A large series of computations concerned with the rise of a single bubble through a liquid or through two superimposed liquids is then discussed and validated against existing data. Finally, threedimensional computation of the dynamics of a bubbly suspension involving up to 27 bubbles are carried out and analyzed. Among others things these simulations allow us to enlighten the influence of the bubbles Reynolds number on the velocity fluctuations induced in the liquid.