Wetting effects in macroscopic hydrodynamics : drag, impacts and dripping
Effets du mouillage en hydrodynamique macroscopique : traînée, impacts et ruissellement
Résumé
The influence of the surface properties on a micro-scale liquid flow near a solid wall has been pointed out in the last years; surface properties means here the liquid-solid affinity, in terms of the wetting angle formed between the liquid and the solid phase when a drop is deposited on the solid surface. In particular superhydrophobic surfaces allowed to reach a huge slip in microfluidic flows. One can wonder if the wetting properties do have any influence in macroscopic hydrodynamic situations. This thesis work aspires to provide some answers to this issue.
In a first part, drag force measurements on immersed solids show that a superhydrophobic coating on the surfaces does not lead to the great expected drag reduction. The second aspect of this work concerns solid-liquid impacts situations, where triple contact lines are created : first, solid spheres falling on a liquid-gas interface, then liquid jet hitting solid impactors, what leads to liquid bells formation. In both cases, a huge coupling between surface properties and macroscopic hydrodynamics has been evidenced and rationalized.
In a first part, drag force measurements on immersed solids show that a superhydrophobic coating on the surfaces does not lead to the great expected drag reduction. The second aspect of this work concerns solid-liquid impacts situations, where triple contact lines are created : first, solid spheres falling on a liquid-gas interface, then liquid jet hitting solid impactors, what leads to liquid bells formation. In both cases, a huge coupling between surface properties and macroscopic hydrodynamics has been evidenced and rationalized.
L'influence des propriétés de surfaces sur un écoulement liquide microscopique au voisinage d'une paroi a été mise en évidence au cours des dernières années. On entend ici par propriétés de surface l'affinité des solides avec les liquides mis en œuvre, caractérisée par l'angle de mouillage formé par une goutte liquide déposée sur la paroi solide. L'usage de surfaces superhydrophobes a permis notamment d'observer un glissement important du liquide sur la paroi solide pour des écoulements de microfluidique. On peut se demander si les propriétés de mouillage ont également une influence dans des situations hydrodynamiques de plus grande échelle, et c'est à cette problématique que l'on tente d'apporter des réponses dans cette thèse.
Dans un premier temps, des mesures de forces réalisées sur des solides immergés dans un écoulement montrent que l'application d'un revêtement superhydrophobe ne permet pas d'obtenir la réduction radicale espérée de la traînée hydrodynamique. Par la suite, nous nous intéressons à des situations d'impact solide-liquide, mettant en œuvre des lignes de contact triples : impacts de sphères solides sur une interface liquide-gaz, puis impacts d'un jet liquide sur des impacteurs solides, conduisant à la formation de cloches liquides. Nous mettons en évidence et rationalisons dans ces deux cas le couplage fort qui relie les propriétés des surfaces à l'hydrodynamique macroscopique.
Dans un premier temps, des mesures de forces réalisées sur des solides immergés dans un écoulement montrent que l'application d'un revêtement superhydrophobe ne permet pas d'obtenir la réduction radicale espérée de la traînée hydrodynamique. Par la suite, nous nous intéressons à des situations d'impact solide-liquide, mettant en œuvre des lignes de contact triples : impacts de sphères solides sur une interface liquide-gaz, puis impacts d'un jet liquide sur des impacteurs solides, conduisant à la formation de cloches liquides. Nous mettons en évidence et rationalisons dans ces deux cas le couplage fort qui relie les propriétés des surfaces à l'hydrodynamique macroscopique.
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