The free-surface impact of spheres is important to several applications in the military, industry and sports such as the water-entry of torpedoes, dip-coating procedures and slamming of boats. This two-part thesis attempts to explore this field by investigating cavity formation during the impact of spheres with deep liquid pools and cavitation in thin ultra-viscous films. Part I reports results from an experimental study on the formation of stable- streamlined and helical cavity wakes following the free-surface impact of heated Leidenfrost spheres. The Leidenfrost effect encapsulates the sphere by a vapor layer to prevent any physical contact with the surrounding liquid. This phenomenon is essential for the pacification of acoustic rippling along the cavity interface to result in a stable-streamlined cavity wake. Such a streamlined configuration experiences drag coefficients an order of magnitude lower than those acting on room temperature spheres. A striking observation is the formation of helical cavities which occur for impact Reynolds numbers Re0 ≳ 1.4 × 105 and are characterized by multiple interfacial ridges, stemming from and rotating synchronously about an evident contact line around the sphere equator. This helical configuration has 40-55% smaller overall force coefficients than those obtained in the formation of stable cavity wakes. Part II of this thesis investigates the inception of cavitation and resulting structures when a sphere collides with a solid surface covered with a layer of non-Newtonian liquid having kinematic viscosities of up to v0 = 20,000,000 cSt. The existence of shear-stress- induced cavitation during sphere approach towards the base wall (i.e. the pressurization stage) in ultra-viscous films is shown using a synchronized dual-view high-speed imaging system. In addition, cavitation by depressurization is noted for a new class of non-contact cases whereby the sphere rebounds without any prior contact with the solid wall. Horizontal shear rates calculated using particle image velocimtery (PIV) measurements reveal the apparent fluid viscosity to vary substantially as the sphere approaches and rebounds away from the base wall. A theoretical model based on the lubrication assumption is also solved for the squeeze flow in the regime identified for shear-induced cavity events to investigate the criterion for cavity inception in further detail.

Phase-change heat transfer involves the exchange of thermal energy when a substance transitions between different phases, such as solid to liquid (melting), liquid to vapor (boiling), or vice versa. During phase-change, energy is absorbed or released without a change in temperature. In particular, boiling is highly efficient due to the large latent heat of vaporization, allowing for dissipative heat fluxes on the order of q′′ ∼ 10–100 W/cm². However, during boiling, once the temperature exceeds a critical threshold, a vapor film forms between the heated surface and the liquid, suppressing effective nucleate boiling which reduces heat transfer efficiency so that q′′ ∼ 1 W/cm². This critical temperature limitation prompted our exploration of three-phase heat transfer. In three-phase heat transfer, energy is transferred between the solid, liquid, and vapor phases; all of which coexist simultaneously. In this study, we define and investigate three-phase heat transfer by examining ice on a superheated substrate. We explore the use of ice as a quenchant and our findings indicate that dissipative heat fluxes for our three-phase system are an order of magnitude larger than for classical boiling (q′′ ∼ 1,000 W/cm²). This is due to the inherent 100 °C temperature differential across the meltwater film, which dissipates q′′ ∼ 100 W/cm² via conduction (and subsequent ice melting) and an additional q′′ ∼ 100 W/cm² for sensible heating of the meltwater. We propose experiments to measure the dissipative heat flux of a tall and pressurized ice column during three-phase heat transfer. Furthermore, we discuss potential avenues for future research of three-phase heat transfer at high superheats. / Master of Science / Phase-change heat transfer involves the exchange of heat when a substance transitions between different phases, such as solid to liquid (melting), liquid to vapor (boiling), or vice versa. During phase-change, energy is absorbed or released without a change in temperature. For example, in boiling, water molecules act like tiny magnets. When water changes from one phase to another, the distance between these tiny magnets changes. When they are pulled apart, like when water turns into steam, they need some extra energy to do that. This energy, termed latent heat, is the reason lots of heat can be transferred during phase-change. However, during boiling, once the temperature of the heated surface exceeds a critical threshold, a vapor film forms between the heated surface and the liquid, which suppresses effective boiling and reduces the efficiency. This critical temperature limitation prompted our exploration of three-phase heat transfer. In three-phase heat transfer, energy is transferred between the solid, liquid, and vapor phases; all of which coexist simultaneously. In this study, we define and investigate three-phase heat transfer by observing ice on a heated surface. The vapor film is avoided for a while because a majority of the heat is used to melt the ice and warm the meltwater, leaving only a little left for vaporization. We propose experiments to measure the heat transfer capabilities of a tall ice column pressed into a heated surface. Furthermore, we discuss potential avenues for future research of three-phase heat transfer at high superheats.

Subcooled pool boiling on nanotextured surfaces is explored in this study. The experiments are performed in an enclosed viewing chamber. Two silicon wafers are coated with Multiwalled Carbon Nanotubes (MWCNT), 9 microns (Type-A) and 25 microns (Type-B) in height. A third bare silicon wafer is used for control experiments. The test fluid is PF-5060, a fluoroinert with a boiling point of 56°C (Manufacturer: 3M Co.). The apparatus is of the constant heat flux type. Pool boiling experiments in nucleate and film boiling regimes are reported in this study. Experiments are carried out under low subcooling (5 °C and 10 °C) and high subcooling conditions (20°C to ~ 38°C). At approximately 38°C, a non-departing bubble configuration is obtained on a bare silicon wafer. Increase in subcooling is found to enhance the critical heat flux (CHF) and the CHF is found to shift towards higher wall superheats. Presence of MWCNT on the test surface led to an enhancement in heat flux. Potential factors responsible for boiling heat transfer enhancement on heater surfaces coated with MWCNT are identified as follows: a. Enhanced surface area or nano - fin effect b. Higher thermal conductivity of MWCNT than the substrate c. Disruption of vapor-liquid vapor interface in film boiling, and of the “microlayer” region in nucleate boiling d. Enhanced transient heat transfer caused by local quasi-periodic transient liquid-solid contacts due to presence of the “hair like” protrusion of the MWCNT e. Enhancement in the size of cold spots f. Pinning of contact line, leading to enhanced surface area underneath the bubble leading to enhanced heat transfer Presence of MWCNT is found to enhance the phase change heat transfer by approximately 400% in nucleate boiling for conditions of low subcooling. The heat transfer enhancement is found to be independent of the height of MWCNT in nucleate boiling regime in the low subcooling cases. About 75%-120% enhancement in heat transfer is observed for surfaces coated with MWCNT under conditions of high subcooling in the nucleate boiling regime. Surfaces coated with Type-B MWCNT show a 75% enhancement in heat transfer in the film boiling regime under conditions of low subcooling.

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Nous avons étudié l'impact d'un jet millimétrique sur un film de savon. Selon le nombre de Weber et l'angle incident du jet, nous avons montré que le jet peut soit passer au travers du film, soit être absorbé par le film. Dans le premier cas, le passage du jet au travers du film déforme ce dernier. Cette déformation absorbe une partie de l'énergie du jet qui est alors réfracté. Dans le second cas, le jet ne possède pas suffisamment de quantité de mouvement verticale pour traverser le film et est ondule alors sur ce dernier. Nous nous sommes ensuite intéressés à l'effet d'un champ électrique sur une goutte de Leidenfrost. Une méthode interférométrique nous a permis de connaître le profil en trois dimensions de l'interface liquide-vapeur située sous la goutte. Sans champ électrique, cette interface est concave. L'application d'un faible champ électrique attire la circonférence de cette interface vers le substrat. En appliquant un champ électrique plus intense, la goutte en caléfaction entre en contact avec le substrat. Un courant passe alors dans le système et la goutte se comporte comme une résistance à seuil. / We have studied the impact of a millimetric jet on a soap film. According to the Weber number and the incident angle of the jet, we have shown that the jet may either pass through the film or be absorbed by the film. In the first case, the jet passage through the film deforms the latter. This deformation absorbs a portion of the energy of the jet which is then refracted. In the second case, the jet does not have sufficient amount of vertical movement to pass through the film and he undulates on the film. We then investigated the effect of an electrical field on a Leidenfrost droplet. An interferometric method allowed us to know the three-dimensional profile of the liquid-vapor interface below the drop. Without electrical field, this interface is concave. The application of a low electrical field attracts the circumference of the interface to the substrate. By applying a more intense electrical field, the drop in calefaction comes in contact with the substrate. A current flows in the system and the drop behavior is like a threshold's resistor.

L'effet Leidenfrost répresente un cas particulier de caléfaction : lorsqu'une goutte de liquide est déposée sur une surface dont la température est très supérieure à la température d'ébullition du liquide, ce dernier s'évapore avant de toucher la surface et la vapeur ainsi créée forme un coussin sous la goutte qui la maintient en sustentation et l'isole de la plaque chauffante.Ce travail de thèse concerne la modélisation et la simulation de ce phénomène complexe. Dans une première partie, nous étudions un modèle avec interface raide basée sur les équations de Navier-Stokes enrichies avec des termes interfaciaux prenant en compte le changement de phase et la tension de surface. La simulation d'une couche uniforme de liquide sur un film de vapeur nous ramène à un cas unidimensionnel pour lequel on utilise la méthode ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) afin de gérer la hauteur variable de chaque phase. La discrétisation du modèle est validée sur un cas test.Dans une seconde partie, on utilise la méthode de capture d'interface Level-Set dans laquelle la frontière liquide/gaz est représentée par la ligne de niveau zéro d'une fonction. Cette interface est artificiellement épaissie et les quantités thermodynamiques y sont régularisées. La tension de surface et le changement de phase sont alors introduits sous forme de termes volumiques dans nos équations. L'hypothèse d'incompressibilité de chaque phase pure nous amène alors à un fluide généralisé dont la compressibilité se manifeste uniquement dans la zone interfaciale, là où se produit le changement de phase.La troisième partie est consacrée à la discrétisation de ce modèle pour l'étude tridimensionnelle d'une goutte d'eau, immobile et symétrique par rotation, se ramenant ainsi à un problème bi-dimensionnel axisymétrique. La méthode Level-Set nécessite des choix numériques particuliers qui sont alors explicités : schéma d'advection peu diffusif, redistanciation par résolution d'une équation de Hamilton-Jacobi et correction globale du volume de la goutte, prenant en compte le changement de phase. Un algorithme de projection de type Chorin est également utilisé afin de satisfaire la contrainte sur la compressibilité de notre fluide. On présentera également un nouveau schéma aux différences finies à stencil compact pour l'approximation du gradient.La dernière partie présente et compare nos résultats numériques avec plusieurs courbes théoriques, décrivant chacune l'évolution de certains paramètres de la goutte de liquide : son volume, son rayon et la hauteur de la couche de vapeur. / The Leidenfrost effect is a special case of calefaction: when a liquid is dropped on a surface which temperature is far hotter than the liquid's boiling point, he evaporates before touching the hot plate and the produced gas forms a thin layer, under the liquid droplet, that makes it hovering and isolates it from the heat source.This thesis deals with the modeling and the numerical simulation of this complex phenomenon. In the first part, we study a sharp interface model that supplement the Navier-Stokes equations with interfacial conditions taking into account the phase change and the surface tension. Simulating an uniform liquid layer over a vaporous film reduces the problem to one dimension. The ALE method (Arbitrary Lagrangian Eulerian) is then used to deal with the variable height of each phase. The numerical code is finally validated on a test case.In the second part, the gas/liquid interface is captured by a Level-Set method. The interface is artificially thickened and inner regularization is applied to the thermodynamic quantities. Therefore, surface tension and phase change are approximated by volume terms. Each pure phase is supposed to be incompressible but, due to the phase change, the velocity field is not divergence-free in the interfacial zone.The third part focusses on the discretization of this three-dimensional model, for the simulation of a motionless and rotational symmetric droplet. The problem reduces to an axisymmetric two-dimensional setting. The use of the Level-Set method requires devoted numerical algorithms which are developed: non-diffusive efficient advection scheme, reinitialization by Hamilton-Jacobi equation with global volume correction taking into account the phase change. An adapted Chorin projection algorithm is used to ensure the prescribed compressibility constraint that holds on the interfacial fluid. In addition, we introduce a new finite difference scheme for the gradient approximation that uses a compact stencil.The last part describes and compares our simulation results with several theoretical curves based on different droplet shape simplifications, plotting the evolution of indicators like the volume and radius of the droplet, or the height of the vapor layer.

Cette thèse expérimentale porte sur des impacts de gouttes en caléfaction, aussi appelée régime Leidenfrost. Dans ce cas, la goutte est isolée thermiquement et mécaniquement du substrat surchauffé par une fine couche de vapeur. On s'affranchit ainsi de la friction visqueuse. Les substrats présentent des textures micrométriques localisées. On retrouve un régime autosimilaire d'étalement aux temps courts. On caractérise des régimes de recouvrement d'un défaut ponctuel par la goutte. Ces régimes sont dictés par l'épaisseur de lamelle par rapport à celle du défaut. Les défauts génèrent des excroissances dans leur sillage dont la dynamique peut être approchée selon deux modèles inertio-capillaires ; l'un valable aux temps courts, l'autre aux temps plus longs. En présence de plusieurs défauts, on fragmente la lamelle depuis plusieurs sites selon le ratio entre largeur des défauts et épaisseur de la lamelle. On simule par un algorithme de pavage le motif final sur lequel le fluide se concentre à la fin de la fragmentation. Grâce à des rugosités plus complexes on peut canaliser l'étalement de la goutte. On exacerbe alors l'étalement maximal dans l'axe des canaux. On peut aussi inhiber l'étalement par des textures circulaires. Les rugosités affectent le temps avant rebond de la goutte. On exhibe une dépendance générale unique entre temps avant rebond et étalement maximal. La dépendance est valable lorsque les textures exacerbent l’étalement, aussi bien que lorsqu’elles l’inhibent / The presented work deals with drop impacts in Leidenfrost regime. In such a case, the drop is thermally and mechanically isolated from the overheated substrate by a thin vapor layer. Viscous friction can therefore be neglected. The substrates are shaped with localized micrometric textures. We rediscover a self-similar spreading regime at short times. We characterize covering regimes of a single defect by the drop. Those regimes are driven by the ratio between lamella thickness and defect thickness. Defects give rise to excrescences in their wake, whose dynamic can be approached by two inertial-capillary recoil models. One is valid at short times and the other at longer times. In the case of several defects, we break up the lamella from different sites according to the ratio between defect width and lamella thickness. We numerically predict, with a tessellation algorithm, the pattern on which the fluid is localized at the end of the fragmentation. Through more complex textures, we can channel the drop spreading. The spreading is increased in the directions of the channels. One can also inhibit the spreading with circular textures. The textures affect the time before drop rebound. We exhibit a general and unique dependency between time before rebound and maximal spreading. This dependency is valid when textures increase the spreading as well as when they inhibit it

Lorsqu'une goutte impacte une surface chaude dont la température est bien plus élevée que la température d'ébullition du liquide, une couche de vapeur se forme et elle lévite au dessus de la surface: ce phénomène est appelé "Effet Leidenfrost". Dans cette étude, un nouvel algorithme permettant de modéliser les régimes d'évaporation et d'ébullition à l'interface liquide/gaz a été développé. En effet, dans certaines situations où les conditions thermodynamiques à l'interface sont très hétérogènes, la distinction entre les régimes d'évaporation et d'ébullition n'est pas toujours possible. C'est le cas de l'impact d'une goutte sur une surface chaude en régime de Leidenfrost. Dans ce cas, l'ébullition se produit dans le film de vapeur saturée piégé entre la goutte et la paroi, tandis que sur le dessus la goutte s'évapore au contact de l'air ambiant. De ce fait, l'ébullition et l'évaporation peuvent survenir simultanément dans différentes régions de la goutte. Les méthodes numériques classiques ne sont pas en mesure de prendre en compte ce régime transitoire. Par conséquent, un nouvel algorithme a été développé pour y parvenir. Cet algorithme a été utilisé pour simuler le rebond d'une goutte axisymétrique en régime de Leidenfrost. Les résultats sont ensuite comparés à des données expérimentales. / When a liquid droplet impacts on a heated surface at a temperature much higher than the liquid's boiling point, it floats above the surface due to a vapor layer formation: this phenomenon is called the Leidenfrost effect. In this study, we propose a novel numerical method which allows dealing both with evaporation and boiling regimes at the interface between a liquid and a gas. Indeed, in some specific situations involving very heterogeneous thermodynamic conditions at the interface, the distinction between boiling and evaporation is not always possible. It can occur when a droplet impacts a hot surface in the Leidenfrost regime. In this case, boiling occurs in the film of saturated vapor which is entrapped between the bottom of the drop and the plate, whereas the top of the liquid droplet evaporates in the contact of the ambient air. Thus, boiling and evaporation occur simultaneously on different regions of the droplet when it impacts a heated surface. Usual numerical methods are not able to perform computations in this transient regimes, therefore, we propose in this study a new numerical method to achieve this challenging task. This algorithm is used to simulate an axisymmetric impact of a liquid droplet in the Leidenfrost regime for different Weber numbers and the results of this simulations are compared with experimental data.

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Nous avons étudié l'impact d'un jet millimétrique sur un film de savon. Selon le nombre de Weber et l'angle incident du jet, nous avons montré que le jet peut soit passer au travers du film, soit être absorbé par le film. Dans le premier cas, le passage du jet au travers du film déforme ce dernier. Cette déformation absorbe une partie de l'énergie du jet qui est alors réfracté. Dans le second cas, le jet ne possède pas suffisamment de quantité de mouvement verticale pour traverser le film et est ondule alors sur ce dernier. Nous nous sommes ensuite intéressés à l'effet d'un champ électrique sur une goutte de Leidenfrost. Une méthode interférométrique nous a permis de connaître le profil en trois dimensions de l'interface liquide-vapeur située sous la goutte. Sans champ électrique, cette interface est concave. L'application d'un faible champ électrique attire la circonférence de cette interface vers le substrat. En appliquant un champ électrique plus intense, la goutte en caléfaction entre en contact avec le substrat. Un courant passe alors dans le système et la goutte se comporte comme une résistance à seuil.