Dans les procédés liés aux émulsions, des écoulements turbulents et polyphasiques entrent en jeu. De tels procédés apparaissent dans des domaines variés. Dans l'industrie agro-alimentaire, la production de lait fait intervenir un homogénéisateur à haute pression, et certains produits tels que la mayonnaise sont des émulsions stables. On trouve aussi des émulsions dans le domaine de la santé : elles assurent le bon fonctionnement de nos poumons, tandis que d'autres peuvent être injectées par voie parentérale en tant que médicaments. On les retrouve aussi dans les procédés de séparation, par exemple eau-brut de pétrole dans l'industrie pétrochimique. Dans tous les cas, la fragmentation et la coalescence des bulles et gouttes doivent être maîtrisées, car elles influencent directement la distribution en taille de la phase dispersée. La fréquence d'apparition de ces phénomènes peut être prédite en utilisant des modèles adaptés. Cependant, la présence de molécules tensioactives modifie grandement cette fréquence et par conséquent la distribution en taille en sortie du procédé. Or, ce type de molécules est présent dans quasiment tous les procédés polyphasiques. L'étude des effets des tensioactifs dans ces procédés s'est alors imposée. Dans un des plus récents modèles, les bulles ou gouttes sont considérées comme des oscillateurs forcés par la turbulence de l'écoulement environnant. Il est alors nécessaire de connaître à la fois la turbulence dans le voisinage de la goutte et les propriétés dynamique de la goutte. La première peut être déterminée expérimentalement. La réponse de la goutte au forçage est alors décrite comme une somme d'harmoniques sphériques dont la dynamique est décrite pour chaque mode par une pulsation et un coefficient d'amortissement. Cette thèse aborde l’étude des effets des tensioactifs sur ces deux grandeurs. Elle s’est déroulée en collaboration entre l'IMFT et le LGC, ce qui a permis d'associer les compétences de chaque laboratoire dans les domaines de la physico-chimie, de l'hydrodynamique des phases dispersées et des écoulements turbulents diphasiques. Le projet lors de cette thèse est d'étudier numériquement les effets des tensioactifs sur les échelles temporelles caractéristiques des oscillations, dans le cas où la goutte est immobile ou bien en mouvement dans un fluide externe. Une équation de transport des tensioactifs ainsi que l'effet Marangoni à l'interface ont été modelisés dans le code DIVA, et validés à l'aide de cas tests. Ensuite, des simulations de gouttes subissant des oscillations de forme suivant le mode 2 des harmoniques sphériques ont permis de décrire les effets des tensioactifs sur la dynamique des interfaces. Ils ont été validés par la théorie pour des oscillations linéaires. Le couplage entre le mouvement d'ascension et les oscillations de formes a aussi été étudié, afin de comprendre l'effet d'un fort effet Marangoni, généré par l'ascension de la goutte, sur les oscillations. Les viscosités de surface peuvent aussi influencer radicalement la dynamique interfaciale. Lors de cette thèse, une méthode a été développée et validée pour permettre à l'outil de simulation de prendre en compte des viscosités de surface en se basant sur le modèle de Boussinesq-Scriven. Leur effet sur la dynamique des oscillations de forme a été étudié. / In many industrial processes, such as high-pressure homogenisation or water-oil separation, turbulent and multiphase flows are involved. To optimize those processes, coalescence and fragmentation need to be controlled since they impact directly the size distribution of drops and bubbles. The occurrence of those phenomena can be predicted using adapted models. However, the presence of surfactant molecules at the interface between two fluid phases can change radically the phenomenology of drops break up and coalescence, and their effect has not been properly included in existing models yet. In one of the latest models, drops are considered as forced oscillators driven by the local turbulence of a flow. It is therefore required to know the local turbulence of the flow and the dynamic properties of the drop. It is possible to measure experimentally the local velocities in a flow to determine the local average turbulent Weber number, which represents the forcing term of the oscillator. The dynamic response of the drop is described as a series of oscillators, the principal mode of which is characterized by two time scales, the pulsation and damping coefficient. The goal of this PhD is to study numerically the impact of surfactants on the two time scales mentioned above, whether the drop is still or in motion in the surrounding fluid. An equation of transport of surfactants and the Marangoni effect at the interface have been implemented in the code, and validated. Simulations of a drop undergoing shape oscillations along its eigenmode n = 2 have allowed to study the effects of surfactants on the time scales of oscillations, which were validated with theoretical predictions for linear oscillations. Surface viscosities can also influence the time scales of oscillations. Therefore, a numerical method has been developped and validated to take surface viscosities into account. The stress jump is based on the expression of the Boussinesq-Scriven model. Their effect is studied on the dynamic of oscillations.

The first step on the way to understanding the complicated dynamics of spray is to study the behavior of isolated droplets. In many industrial and natural processes such as turbulent combustion, agricultural sprays, spray cooler, falling raindrops and cloud evolution the droplet is subjected to a chaotic unsteady external flow field. The interaction between the liquid and gaseous phases results in very intricate droplet dynamics like capillary instabilities, atomization, droplet collision and coalescence and vaporization, to name a few. In this dissertation, the focus is on shape oscillations, atomization and vaporization dynamics of pendant and sessile droplets. A droplet residing on a substrate which vibrates vertically at ultrasonic frequency will exhibit different modes of shape oscillation. The competition between capillary forces and inertia forces is basically responsible for these oscillations. However, when an acoustic force field is introduced asymmetrically around the droplet, we discover with the help of ultra high-speed imaging, a new droplet spreading phase. This new method of droplet manipulation could nd application in micro fluidics and lab-on-a-chip systems. By lading the droplet with nanoparticles, the spreading rate can be easily controlled. The spreading phase is followed by an atomization phase where surface ligaments grow to disintegrate into daughter droplets; the intensity of atomization is found to decrease with increase in fluid viscosity. The ability to control atomization characteristics of droplets by lading them with nanoparticles is a powerful technique that may be implemented in spray coolers and combustors to control the spray characteristics or combustion efficiency. Both the spreading and ligament dynamics have been theoretically simulated and the physics behind the observed trends is explained. The growth rate of the ligaments is found to be governed by Weber number modified to include the acoustic pressure level of the standing wave. The frequency of ligament breakup is found to decrease with fluid viscosity and this observation is adequately supported by a theory developed based on the evolution crater on the droplet surface. Turning now to the pendant droplets, by decomposing the droplet shape into Legendre modes, the shape oscillations exhibited by a droplet hanging from the junction of cross-wire placed at the center of an air jet is studied. Both high-speed imaging and hot-wire anemometry are employed. The driving force of oscillation of droplets subjected to the air jet is proved to be the inherent pressure fluctuations in the jet. The effect of surface tension, viscosity and Reynolds number on the shape oscillation level has been examined. The first experimental evidence of viscous attenuation of lower frequencies in a particular mode in glycerol/water mixture is reported. A theoretical model was developed to simulate the droplet shape oscillations induced by different ambient flow fields like pulsatile flow, vortical flow and flow with broadband energy spectrum. The time of interaction of the droplet with an eddy in the flow is found to be very crucial in determining the amplitude of oscillation of the droplet. The shorter the interaction time, the higher are the chances of the droplet oscillation being pushed into resonance. Finally, the heat transfer and droplet regression dynamics of pendant droplets in a hot air stream of various chemical compositions (like conventional fuels, alternative fuels and nanosuspensions) have been experimentally analyzed using high speed imaging. The droplet is deployed at the junction of cross-wire at the centre of a vertical air jet. A hybrid timescale has been proposed which incorporates the effects of latent heat of vaporization, saturation vapor pressure and thermal diffusivity. This timescale in essence encapsulates the different parameters that influence the droplet vaporization rate. The analysis further permitted the evaluation of the effect of various parameters such as surrounding temperature, Reynolds number, far-field vapor presence, impurity content and agglomeration dynamics (nanosuspensions) in the droplet.