Quelques problèmes fortement non-linéaires de surface libre et leur résolution numérique
Résumé
This dissertation deals with some highly non-linear free surface flow problems. The first part is dedicated to the study of the bursting of a bubble at the free
surface of a liquid. To this end, a numerical method is used which solves the Navier-Stokes equations, in the presence of a free surface. This free surface is
described using a markers chain. The surface tension terms are then treated with high precision. A parametric study on the bubble radius is undertaken and a range of parameter region is found to correspond to a curvature singularity in finite time. The existence of this singularity is confirmed by a self-similar theory, based on an invicid formulation.
The second part presents the resolution of potential axisymmetric flows in the presence of a free surface. The theory and developpment of a boundary
integral method is described in details. Firstly, the method is validated using the theoretical knowledge of the spherical harmonics of an oscillating liquid drop.
Then it is applied to two distinct problems : the impact of a drop on a super hydrophobic surface and the coalescence of two spherical drops. This second
case presents a singularity in finite time because it involves a high curvature region at the time of contact. The scaling laws describing this singularity are then discussed and a comparison between experiments and numerical results is presented.
surface of a liquid. To this end, a numerical method is used which solves the Navier-Stokes equations, in the presence of a free surface. This free surface is
described using a markers chain. The surface tension terms are then treated with high precision. A parametric study on the bubble radius is undertaken and a range of parameter region is found to correspond to a curvature singularity in finite time. The existence of this singularity is confirmed by a self-similar theory, based on an invicid formulation.
The second part presents the resolution of potential axisymmetric flows in the presence of a free surface. The theory and developpment of a boundary
integral method is described in details. Firstly, the method is validated using the theoretical knowledge of the spherical harmonics of an oscillating liquid drop.
Then it is applied to two distinct problems : the impact of a drop on a super hydrophobic surface and the coalescence of two spherical drops. This second
case presents a singularity in finite time because it involves a high curvature region at the time of contact. The scaling laws describing this singularity are then discussed and a comparison between experiments and numerical results is presented.
Ce mémoire est consacré à l'étude de quelques problèmes d'interfaces entre fluides non miscibles. La première partie consiste en la description du phénomène d'éclatement d'une bulle à la surface d'un liquide. Un programme de résolution des équations de Navier-Stokes en présence d'une surface libre est utilisé. Il décrit la surface grâce à une chaîne de marqueurs. Cette approche permet de prendre en compte de manière très précise l'effet de la tension superficielle. Une étude paramétrique est conduite qui met en évidence un régime pour lequel on observe une singularité de courbure en temps fini. L'existence de cette singularité est vérifiée à l'aide d'une théorie auto-similaire, fondée sur l'hypothèse d'un écoulement potentiel.
La seconde partie traite de la résolution d'écoulements potentiels en géométrie
axisymétrique. A ces fins, une méthode d'intégrales de frontières est développée. Elle est d'abord validée à l'aide de la connaissance théorique des modes d'oscillations d'une goutte en apesanteur. Elle est ensuite appliquée à deux problèmes distincts : l'impact d'une goutte sur une surface hydrophobe et la coalescence de deux gouttes en apesanteur. Ce dernier problème présentant deux échelles spatiales très différentes, un raffinement inhomogène du maillage de la surface est opéré. En outre, une comparaison entre les simulations et certains
résultats expérimentaux est effectuée.
La seconde partie traite de la résolution d'écoulements potentiels en géométrie
axisymétrique. A ces fins, une méthode d'intégrales de frontières est développée. Elle est d'abord validée à l'aide de la connaissance théorique des modes d'oscillations d'une goutte en apesanteur. Elle est ensuite appliquée à deux problèmes distincts : l'impact d'une goutte sur une surface hydrophobe et la coalescence de deux gouttes en apesanteur. Ce dernier problème présentant deux échelles spatiales très différentes, un raffinement inhomogène du maillage de la surface est opéré. En outre, une comparaison entre les simulations et certains
résultats expérimentaux est effectuée.