Liquid sheets, holes, ligaments and drops
Nappes, trous, ligaments et gouttes
Résumé
This thesis tackles the problem of liquid films atomization through various experimental configurations dealing with their formation, destabilization and fragmentation. In a first part, two mechanisms of receding soap film disintegration are identified and described. When the film is released from a border, the acceleration sustained by the Plateau border explains the destabilization. When puncture occurs in the center, the film flapping is promoted by the interaction with the surrounding atmosphere which leads to its fragmentation. In a second study, the singular folding of liquid bells is explained by an original free surfaces hydraulic jump insuring transition from a subcritical to a supercritical flow with respect to capillary waves. The strong curvatures associated with this transition, also implying strong centripetal acceleration of the flowing liquid, may induce the downstream sheet destabilization. The question of marine aerosols formation via surface bubble bursting is investigated in a third part. Bubbles geometry, their film drainage mechanism and puncture events are studied in order to account for the film thickness at the onset of bursting. The subsequent bursting dynamics is detailed to characterize the spray production. In a last part, effervescent atomization is studied on a model experimental set up: a flat liquid sheet seeded with small air bubbles acting as heterogeneous hole nuclei. On the basis of holes nucleation and growth measurements, a statistical model of the liquid ligament red resulting from the holes rims combination offers a description of the spray generated by the red fragmentation.
Ce manuscrit aborde le problème de l'atomisation des films liquides à travers diverses expériences portant sur leur formation, déstabilisation et fragmentation. Une première partie identifie et décrit deux mécanismes de désintégration à l'œuvre lors de la rétractation d'un film de savon. Lorsque le film se détache sur une frontière, le bord de Plateau est entrainé et son accélération explique la déstabilisation. Lorsque le perçage a lieu au centre, le battement du film résultant de l'interaction avec l'atmosphère au repos conduit à sa fragmentation. Une second étude explique le plissement singulier de certaines cloches liquides par un ressaut hydraulique à interfaces libres assurant la transition d'un écoulement super-critique vis-à-vis des ondes capillaires à un écoulement sub-critique. La courbure marquée associée à cette transition impose au liquide une accélération centripète susceptible de déstabiliser la cloche en aval. La formation des embruns par l'intermédiaire de l'éclatement des bulles de surface est abordée dans une troisième partie. La géométrie des bulles, le mécanisme de drainage de leurs films et les événements de perçage sont étudiés afin de rendre compte de l'épaisseur de la bulle au début de l'éclatement. La dynamique ultérieure de fragmentation est détaillée conduisant à une caractérisation du spray produit. Une dernière partie étudie l'atomisation effervescente sur une expérience modèle : une nappe liquide plane ensemencée en fines bulles d'air favorisant la nucléation de trous. Sur la base de mesures des taux de nucléation et croissance des trous, un modèle statistique du réseau de ligaments liquides formés par la réunion des bourrelets ceinturant les trous permet un description du spray issu de la fragmentation du réseau.