Cette thèse concerne l'étude de la dynamique d'impacts de gouttes, dans des situations de friction réduite entre le substrat solide et la goutte liquide. Cette diminution de friction s'est faite au moyen d'un film d'air inséré entre le liquide et le solide. Il existe plusieurs stratégies permettant l'existence de ce film d'air : la première est d'utiliser le phénomène de caléfaction, ou effet Leidenfrost : un liquide approché d'une surface chauffée au delà d'une température critique s'évapore suffisamment rapidement pour pouvoir léviter sur sa propre vapeur, et ainsi être isolé de la surface solide. Dans certaines conditions, les surfaces super-hydrophobes micro-texturées permettent au liquide de rester dans un état "fakir", c'est à dire de n'être en contact qu'avec le sommet de micro-piliers, le reste du liquide demeurant au dessus d'un coussin d'air. Enfin, il a également été constaté que l'écoulement d'air engendré par le mouvement d'une surface solide peut induire une force de portance sur une goutte, et ainsi lui permettre de léviter au dessus de cette surface / In this thesis we study the dynamic of drop impacts, in situations of low friction between the liquid and the solid surface. This low friction can be obtained thanks to an air cushion trapped between the liquid and the solid, which can be achieved by several ways. The first one is the Leidenfrost effect : when a liquid is moved close to a hot surface, the evaparation rate can be sufficient make liquid levitate on its own vapour. In certain conditions, onto micro-patterned super-hydrophobic surfaces, a drop can be in a "fakir" state, which means that the contact is limited to the top of micro-pillars, the rest of the liquid is at the top of an air cushion. Finally, we also observed that the air flow due to a moving surface can generate a lift force which can permit the levitation of the drop

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 réprésentée 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.

This thesis deals with the influence of the oxide layer on the spray cooling of steel surfaces. As part of the work steel samples with oxide layer are made and the thickness, porosity and surface roughness of this layer are characterized. The average thermal conductivity of porous oxide layer is determined for different regimes of oxidation. Further, the influence of the oxide layer on the heat transfer coefficient during the spray cooling is experimentally investigated on created samples and the basic numerical simulation of the cooling is done for selected experiment with oxide layer. The thesis also contains theoretical introduction to given issue.

In-line heat treatment is a part of technological process uses a phase and structure changes to obtain required mechanical properties. Heat treatment of rolled products offers a reduction of steel making costs and a creation of new steel products. For example the TRIP steel is a part of modern steels which is used in the automobile industry for higher safety of passengers. The heat treatment is often described in the literature. But the authors are often focused on the method how to get the required structure and mechanical properties for different metallic materials. Nevertheless just few articles are focused on the technical observing of temperature regimes and which parameter is necessary to consider during designing the cooling section. Eight parameters were tested by the experimental way to examine their influence on the cooling intensity. They were: gravity (orientation of the cooled surface), coolant pressure, amount of coolant spraying on the surface (the flow rate), rolling velocity, nozzle configuration, kind of nozzles (full cone or flat fan nozzle), coolant temperature and the surface quality (surface roughness and scales). All these parameters have an influence the heat transfer coefficient. Based on knowledge gained in this work was created the cooling section, which comply with the required cooling temperature regimes.

Dans cette thèse, nous étudions à l'aide de plusieurs expériences la dynamique de gouttes non-mouillantes dans des situations où la gravité n'intervient pas, mais où d'autres forces, moins communes, sont à l'oeuvre. La première partie porte sur l'étude de gouttes d'oxygène liquide qui, en plus d'être en caléfaction sur un support à température ambiante, ont la particularité d'être susceptibles à la présence d'un champ magnétique. Nous étudions la force magnétique exercée sur ces gouttes ultra-mobiles et nous montrons qu'elles peuvent être déviées, ralenties, déformées, capturées et même parfois accélérées à l'aide d'un aimant. Dans la deuxième partie de ce travail, nous avons étudié une situation inverse, où nous avons cherché à mettre en mouvement une goutte non-mouillante initialement au repos. La goutte est cette fois faite d'huile se trouvant dans un tube capillaire rempli d'eau, et nous avons montré qu'un gradient de concentration en tensioactif provoque un mouvement spontané et permet à la goutte d'huile de s'échapper du tube. Cette expérience réalise ainsi une situation modèle de détergence. Une dynamique très particulière est mise en évidence à temps long : le mouvement est continu ou intermittent selon les paramètres de l'expérience.

Nous nous intéressons aux dynamiques spéciales engendrées par des objets non mouillants. Sur un substrat recouvert de rainures asymétriques en dents de scie, un liquide ou un solide en caléfaction est propulsé horizontalement. Les motifs rectifient l'écoulement de vapeur dans une direction privilégiée et le mobile est entrainé par viscosité. Sur un substrat lisse, si le solide est lui-même asymétrique, la répartition non homogène de masse incline la surface inférieure et avec elle la force de pression de l'écoulement de vapeur : sa composante horizontale met aussi l'objet en mouvement. Une goutte caléfiée entre deux plans parallèles montre également un comportement surprenant : au-delà d'un rayon critique, elle se déstabilise en formant un anneau qui s'agrandit et éclate en petits fragments. La grande mobilité de ces objets pose la question de la friction qu'ils subissent. Très faible sur un substrat lisse, on observe une dissipation inertielle dans l'air environnant et dans une couche limite liquide pour les gouttes. En revanche, sur un substrat crénelé, elle est fortement amplifiée par l'impact du liquide sur les textures. Pour terminer, nous nous intéressons à divers objets non mouillants naturels : l'argyronète aquatique et plusieurs plantes aquatiques superhydrophobes. Le premier est une araignée qui passe sa vie sous l'eau. Elle s'abrite dans une grande bulle d'air qu'elle crée en capturant, par un mouvement dynamique de son abdomen superhydrophobe et de ses pattes, de petites bulles à la surface de l'eau. Quant aux seconds, ils utilisent leurs surfaces non mouillantes pour survivre lors d'une immersion.

<p>Various organic reactions, including important synthetic reactions involving C–C, C–N, and C–O bond formation as well as reactions of biomolecules, are known to be accelerated when the reagents are present in confined volumes such as sprayed or levitated microdroplets or thin films. This phenomenon of reaction acceleration and the key role of interfaces played in it are of intrinsic interest and potentially of practical value as a simple, rapid method of performing small-scale synthesis. This dissertation has three focusing subtopics in the field of reaction acceleration: (1) application of reaction acceleration in levitated droplets and mass spectrometry to accelerate the reaction-analysis workflow of forced degradation of pharmaceuticals at small scale; (2) fundamental understanding of mechanisms of accelerated reactions at air/solution interfaces; (3) discovery the use of glass particles as a `green' heterogeneous catalysts in solutions and systematical study of solid(glass)/solution interfacial reaction acceleration as a superbase for synthesis and degradation using high-throughput screening.</p><p><br></p><p>Reaction acceleration in confined volumes could enhance analytical methods in industrial chemistry. Forced degradation is critical to probe the stabilities and chemical reactivities of therapeutics. Typically performed in bulk followed by LC-MS analysis, this traditional workflow of reaction/analysis sequence usually requires several days to form and measure desirable amount of degradants. I developed a new method to study chemical degradation in a shorter time frame in order to speed up both drug discovery and the drug development process. Using the Leidenfrost effect, I was able to study, over the course of seconds, degradation in levitated microdroplets over a metal dice. This two-minute reaction/analysis workflow allows major degradation pathways of both small molecules and therapeutic peptides to be studied. The reactions studied include deamidation, disulfide bond cleavage, ether cleavage, dehydration, hydrolysis, and oxidation. The method uses microdroplets as nano-reactors and only require a minimal amount of therapeutics per stress condition and the desirable amount of degradant can be readily generated in seconds by adjusting the droplet levitation time, which is highly advantageous both in the discovery and development phase. Built on my research, microdroplets can potentially be applied in therapeutics discovery and development to rapidly screen stability of therapeutics and to screen the effects of excipients in enhancing formulation stabilities.</p><p><br></p><p>My research also advanced the fundamental understanding of reaction acceleration by disentangles the factors controlling reaction rates in microdroplet reactions using constant-volume levitated droplets and Katritzky transamination as a model. The large surface-to-volume ratios of these systems results in a major contribution from reactions at the air/solution interface where reaction rates are increased. Systems with higher surface-active reactants are subject to greater acceleration, particularly at lower concentrations and higher surface-to-volume ratios. These results highlight the key role that air/solution air/solution interfaces play in Katritzky reaction acceleration. They are also consistent with the view that reaction increased rate constant is at least in part due to limited solvation of reagents at the interface.</p><p><br></p><p><br></p><p>While reaction acceleration at air/solution interfaces has been well known in microdroplets, reaction acceleration at solid/solution interfaces appears to be a new phenomenon. The Katritzky reaction in bulk solution at room temperature is accelerated significantly by the surface of a glass container compared to a plastic container. Remarkably, the reaction rate is increased by more than two orders of magnitude upon the addition of glass particles with the rate increasing linearly with increasing amounts of glass. A similar phenomenon is observed when glass particles are added to levitated droplets, where large acceleration factors are seen. Evidence shows that glass acts as a ‘green’ heterogeneous catalyst: it participates as a base in the deprotonation step and is recovered unchanged from the reaction mixture. </p><p><br></p><p>Subsequent to this study, we have systematically explored the solid/solution interfacial acceleration phenomena using our latest generation of a high-throughput screening system which is capable of screening thousands of organic reactions in a single day. Using desorption electrospray ionization mass spectrometry (DESI-MS) for automated analysis, we have found that glass promotes not only organic reactions without organic catalysts but also reactions of biomolecules without enzymes. Such reactions include Knoevenagel condensation, imine formation, elimination of hydrogen halide, ester hydrolysis and/or transesterification of acetylcholine and phospholipids, as well as oxidation of glutathione. Glass has been used as a general `green' and powerful heterogeneous catalyst.</p>

Spray cooling of hot surfaces is used in the metallurgical industry during continuous casting, hot rolling or heat treatment. The water is sprayed on the cooled surface by the nozzle which transforms the water stream to droplets. The spray cooling of hot surfaces can be characterized as forced convection with the presence of the boiling. This physically complicated process is influenced by many factors, such as impurities and contaminants in the water, water temperature, water flow rate, droplet size, droplet impact velocity, surface temperature, surface roughness or the presence of oxides (scales) on the cooled surface. The dominant factor that affects the heat transfer during the spray cooling is the water impingement density. Other factors have a smaller but also significant effect. This doctoral thesis deals with the influence of the water temperature, surface roughness and the presence of oxides on the intensity of the spray cooling. These factors are investigated by laboratory experiments in which the hot steel surface is spray cooled. Effect of the oxide layer is also investigated by the numerical simulation. The experimental results are theoretically explained and generalized using mathematical methods.

In-line heat treatment is a part of technological process uses a phase and structure changes to obtain required mechanical properties. Heat treatment of rolled products offers a reduction of steel making costs and a creation of new steel products. For example the TRIP steel is a part of modern steels which is used in the automobile industry for higher safety of passengers. The heat treatment is often described in the literature. But the authors are often focused on the method how to get the required structure and mechanical properties for different metallic materials. Nevertheless just few articles are focused on the technical observing of temperature regimes and which parameter is necessary to consider during designing the cooling section. Eight parameters were tested by the experimental way to examine their influence on the cooling intensity. They were: gravity (orientation of the cooled surface), coolant pressure, amount of coolant spraying on the surface (the flow rate), rolling velocity, nozzle configuration, kind of nozzles (full cone or flat fan nozzle), coolant temperature and the surface quality (surface roughness and scales). All these parameters have an influence the heat transfer coefficient. Based on knowledge gained in this work was created the cooling section, which comply with the required cooling temperature regimes.