Reproduction de : Thèse de doctorat : Énergétique et transferts : Toulouse, INPT : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 59 réf.

L'objectif de ce travail est de contribuer expérimentalement au développement d'un modèle de film liquide pour l'automobile. Nous présentons ici des expériences modèles d'écoulement de gouttes et films liquides dans des conditions de cisaillement et de gravité rencontrées dans l'industrie. Le ruissellement d'un film d'eau ou de gouttes de pluie sur un pare-brise est un phénomène important dans un contexte de sécurité des véhicules. Nous décrivons dans une première partie une expérience modèle de drainage d'un film liquide sur un plan incliné soumis à un contre-courant d'air. Cette expérience nous a conduit à développer une technique expérimentale permettant de visualiser facilement le profil d'épaisseur des films. Nous avons contribué à la caractérisation de l'écoulement du film par gravité en mettant en évidence différents régimes de développement d'ondes. Le contre-courant d'air s'oppose au drainage par gravité ; nous caractérisons le seuil en vitesse de vent qui permet au film liquide de faire marche arrière par entraînement aéraulique. Un tel film est souvent instable du point de vue du mouillage et se fragmente en gouttes et ruisselets. Nous nous intéressons dans une seconde partie au déplacement de gouttes sous l'effet du vent. Nous observons que ces gouttes ne commencent à se déplacer qu'à partir d'un certain seuil lié à l'hystérésis de l'angle de contact du liquide sur le solide. Au delà de ce seuil, la vitesse de la goutte augmente avec la vitesse du vent. Sa dynamique peut être décrite à partir d'un trio de nombres sans dimension qui tient compte des forces capillaires, visqueuses, aérodynamiques et du poids. Nous avons mis en évidence une recirculation contre-intuitive à l'intérieur de la goutte et l'avons quantifiée. Nous nous sommes enfin intéressés aux variations de la forme de la goutte sous l'effet du vent et aux interactions entre gouttes voisines.

Les mousses liquides sont très utilisées dans l'industrie comme dans la vie quotidienne. Cependant, leur stabilité n'est ni complètement comprise ni complètement maîtrisée, la formulation étant essentiellement empirique. Il est donc difficile d'une part de prédire la capacité d'une solution de tensioactifs à générer des mousses et d'autre part de prédire et de contrôler leur déstabilisation. Ce travail de thèse propose des expériences conceptuellement simples qui s'appuient sur le caractère multi-échelle des mousses pour tenter d'établir des liens clairs entre physico-chimie et mécanismes de déstabilisation. Dans un premier temps, nous avons revisité une expérience d'entraînement de films liquides sur un cadre pour illustrer la stabilité des films lors de la génération des mousses ou pendant un réarrangement (processus T1). Nous avons mis en lumière l'existence de deux régimes. Un régime dit non confiné, pour lequel la stabilité des films et réduite et dépend de la physico-chimie. Un régime dit confiné pour lequel le rôle de la physico-chimie est limité et la stabilité est majoritairement contrôlée par l'hydrodynamique.Dans un second temps nous nous sommes intéressés à l'influence de la physico-chimie et de la fraction liquide sur la compétition entre coalescence et mûrissement grâce à l'étude d'une unique couche de bulles (mousse 2D). Nous proposons une méthode de mesure in situ de la perméabilité des films par l'étude simple et rapide du régime transitoire du mûrissement de mousses 2D. Nous avons observé une corrélation entre coefficient de diffusion du gaz contenu dans les bulles et perméabilité.Enfin nous décrivons les résultats d'une expérience spatiale sur le vieillissement à temps long des mousses humides (fraction liquide supérieure à 30% en volume), extrêmement difficile sur Terre à cause du drainage gravitaire, et à laquelle nous avons participé.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Énergétique et transferts : Toulouse, INPT : 2006. Reproduction de : Thèse de doctorat : Énergétique et transferts : Université de Monastir : 2006. / Thèse soutenue en co-tutelle. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 60 réf.

Les films liquides tombants et cisaillés par un contre-écoulement de gaz jouent un rôle prépondérant dans de nombreux processus industriels. En effet, les ondes à l'interface gaz/liquide augmentent sensiblement les transferts de chaleur et de masse entre les deux phases. Nous avons cherché, dans un premier temps, à mieux comprendre la dynamique 2D et 3D d'un film liquide tombant sur un plan incliné grâce à des outils expérimentaux (visualisations par ombroscopie, mesures d'épaisseur) et numériques (modèles d'équations réduits, analyses de stabilité). Le point optimal de fonctionnement des procédés se situe proche de la limite d'engorgement caractérisée par un envahissement de l'espace disponible par la phase liquide. Notre objectif, dans un second temps, a été de mieux comprendre les mécanismes physiques à l'origine de l'engorgement grâce à la réalisation d'expériences en géométrie simplifiée (canal plan). Ces travaux s'inscrivent dans le cadre d'un contrat CIFRE entre le laboratoire FAST et la société Air Liquide afin d'appliquer les résultats au procédé de distillation de l'air. Deux dispositifs expérimentaux ont été mis en place : l'un à température ambiante (étude fondamentale), l'autre à température cryogénique (étude appliquée et confidentielle). / Falling liquid films with or without a gazeous counter-flow play a leading role in many industrial process. Indeed, the waves at the gas/liquid interface increase noticeably the heat and mass transfer between both phases. We have tried, as a first step, to better understand the 2D and 3D dynamics of a liquid film falling down an inclined plane using experimental (shadowgraphy visualisations, thickness measurements) and numerical (reduced equation models, stability analysis) tools. The optimal operating conditions are closed to the limit of flooding characterized by an invasion of the available space by the liquid phase. Our goal, as a second step, has been to better understand the physical mechanisms at the origin of flooding using simplified geometry experiments (plane channel). These works fall within a CIFRE contract between the FAST laboratory and the Air Liquide company in order to apply the results to the air distillation process. Two experimental set-ups have been built : one at room temperature (fundamental study), the other at cryogenic temperature (applied and confidential study).

Les mousses liquides soumises à du cisaillement présentent une très grande viscosité, mais l'origine locale de la dissipation se produisant pendant cette déformation est encore mal comprise. Dans le but d'apporter quelques éléments de réponses à cette importante question ouverte, notre travail décrit le comportement observé sur quelques films connectés lorsqu'une déformation leur est appliquée. Nous avons créé un montage permettant de fabriquer un pattern élémentaire de mousse, et de modifier la taille de chaque film en contrôlant la géométrie du cadre qui le supporte. Ce montage original, auquel s'ajoute une combinaison d'appareils optiques, nous permet de révéler les processus se produisant dans le film, notamment la compétition entre son allongement ou compression, et l'extraction d'un nouveau film depuis les ménisques raccordant les films. Nous montrons de plus que cette compétition dynamique dans un film donné est affectée par la déformation de ses premiers et seconds films voisins. La géométrie particulière du montage nous a également permis de découvrir et de décrire pour la première fois une instabilité gravitationnelle se produisant lorsqu'un film épais se situe au-dessus d'un film plus mince. Nous avons mesuré la longueur d'onde de l'instabilité et l'avons comparée à des prédictions théoriques en régime linéaire. Ces différents écoulements affectent la distribution d'épaisseur dans le film, et peuvent ainsi jouer un rôle important sur la viscosité ou sur la stabilité des mousses 3D. Finalement, le montage utilisé pourra s'avérer utile à l'avenir comme rhéomètre de films liquides. / Liquid foams under shearing exhibit a large effective viscosity, and the understanding of the local origin of the dissipation occurring during deformation is unknown. In the aim to contribute to this important open problem, we tried to describe the behavior of a few connected films under deformation. We created a setup allowing to make an elementary foam sample and to modify each film size by controlling the shape of the deformable frame supporting the films. This original setup together with a combination of optical devices allowed us to reveal processes happening in the film, and especially the competition between film stretch or compression, and extraction of a new film from the menisci connecting the films. Importantly, we show that this dynamical competition in a given film is affected by the deformation of its first and even second neighbors. The unique geometry of the setup gave us the opportunity to discover and describe for the first time a gravitational instability which takes place when a thicker film is on top of a thinner one. We measured the wavelength and compared it to theoretical predictions in the linear regime. These different flows affect the thickness distribution, and may thus play an important role in the viscosity or in the stability of 3D foams. As a perspective, the designed setup could prove to be useful as a liquid film rheometer.

Source d'émerveillement et d'inspiration poétique, la beauté éphémère des films de savon recèle des questions scientifiques fondamentales, qui ont de nombreuses répercussions pour des applications allant de la formulation des shampoings à la récupération du pétrole. L'objectif de cette thèse est de comprendre comment la vie d'un film de savon, depuis sa génération jusqu'à sa rupture, dépend des propriétés physico-chimiques des tensioactifs qui le stabilisent.Dans une première partie, je m'intéresse à la génération de films savonneux verticaux, que je modélise à l'aide d'un modèle stationnaire supposant des tensioactifs insolubles. Je montre que l'épaisseur de tels films est gouvernée à la fois par la vitesse de génération et l'élasticité de surface du film. Le modèle décrit avec succès les données expérimentales pour des tensioactifs solubles, au moins dans le cas où l'adsorption est lente. Je présente également un dispositif expérimental original permettant de générer des films stabilisés par des tensioactifs insolubles, qui constituent un système modèle prometteur.Dans un second temps, j'étudie l'évolution temporelle – i.e. le drainage et la rupture – de films liquides minces en génération continue, en commençant par le cas simplifié des liquides purs. A l'aide d'une simulation non-stationnaire, je parviens à prédire le temps de vie de films d'huile silicone fonction de la vitesse de génération, qui se montre en accord quantitatif avec les expériences. Je caractérise ensuite expérimentalement le drainage des films savonneux en fonction de différents paramètres – position dans le film, vitesse de génération et humidité ambiante – et montre l'influence de la concentration en tensioactif dTAB et de l'humidité sur le temps de vie du film. Pour terminer, j'explore l'influence de la concentration en tensioactifs sur le drainage et la rupture de bulles hémisphériques flottant à la surface d'un bain savonneux, un système se rapprochant des mousses réelles. / The ephemeral beauty of soap films is not only a source of wonder and poetic inspiration, but also conceals fundamental scientific questions, which are at the heart of various applications, ranging from shampoo formulation to oil recovery. This work aims at understanding how the life of a soap film, from its generation until its rupture, is affected by the physical-chemical properties of the surfactants used to stabilise it.First, I present a stationary model describing the generation of vertical soap films, under the assumption of insoluble surfactants. I show that the film thickness is controlled by both the generation velocity and the film surface elasticity. The model successfully describes experimental data for soluble surfactants, at least when adsorption is slow. I also introduce an original experimental set up for the generation of liquid films stabilised by insoluble surfactants, which are certainly a promising model system. Secondly, I study the time evolution – i.e. the drainage and rupture – of thin films pulled from a liquid bath, starting with the simplified case of pure liquids. Implementing a non-stationary simulation, I am able to predict the lifetime of silicone oil thin films as a function of the generation velocity, which I find in quantitative agreement with experimental data. I then carry out systematic experiments to characterise the drainage of soap films for various generation velocities, environmental humidities and positions in the film. I also demonstrate the influence of dTAB concentration and humidity on film lifetime. Finally, I investigate how surfactant concentration affects the drainage and break-up dynamics of hemispherical soap bubbles at the surface of a liquid pool, which is a system somewhat closer to real foams.

Le processus d’atomisation est important pour la performance des moteurs à combustion interne. Grâce à un injecteur, le carburant liquide est admis dans la chambre de combustion et se divise en gouttelettes. Plus petites les gouttes, plus rapide leurs évaporation et meilleur le mélange air-carburant. Une meilleure combustion pourrait être obtenue, avec faibles émissions polluantes. La qualité de l’atomisation est influencée principalement par la géométrie de l’injecteur et les conditions opératoires qui forment la structure de l’écoulement interne, la turbulence, le profil de vitesse à la sortie de l’injecteur, la cavitation, etc. Tous ces aspects sont déterminants pour la rupture de l’écoulement externe. Un autre paramètre clé pour optimiser le processus d’atomisation est les propriétés physiques des carburants. On pense, parmi autres, à la tension de surface dynamique contrôlée par la diffusion des surfactants sur l’interface liquide-gaz ou à la viscosité extensionnelle qui rend un liquide plus résistant à l’étirement, influençant donc la rupture. Les effets de la géométrie de l’injecteur, les conditions opératoires et les propriétés physiques des liquides sur l’atomisation sont inter-dépendents. Les analyses expérimentales nous aident à comprendre les mécanismes impliquant et leurs interactions. D’une part, elles sont utiles pour les simulations numériques qui devraient être réalisées suivant la configuration considérée. D’autre part, les critères quantitatifs pourraient être établis afin de valider les résultats numériques. En suivant cette méthodologie de recherche, nous souhaiterons étudier l’atomisation d’une nappe liquide turbulente produite par un injecteur triple-disque. Les mesures expérimentales fournissent les images de la nappe, utilisées comme l’entrée d’une approche multi-échelle. Nous étudions, grâce à la dernière, les comportements de la nappe, des ligaments qui apparaissent à ses bords et des gouttelettes. De plus, deux méthodes de frontières immergées sont développées pour résoudre en même temps l’écoulement interne et le processus d’atomisation. Nous réalisons deux applications, la première pour un jet liquide éjecté par un injecteur cylindrique et la deuxième pour une nappe plane produite par un injecteur triple-disque. / Liquid fuel atomization is crucial for the performance of internal combustion engines. Through an injector, the liquid is delivered into the combustion chamber and breaks down into droplets. The finer the drops, the quicker their evaporation and the more proper their mixing with air. A proficient combustion could hence be expected, with low pollutant emissions. Atomization quality is primarily affected by the injector design and the operating conditions which shape the internal flow structure, the turbulence level, the velocity profile at the nozzle outlet, the cavitation and so forth. All these features are determinants of the breakup of the external liquid flow. Another key parameter to optimize the atomization process is the fuel physical properties. One can think of, among others, the dynamic surface tension controlled by the diffusion of the surfactants on the liquid-gas interface or the extensional viscosity which makes a liquid to become more resistant to the stretching, thereby affecting the breakup. Effects of the injector design, the operating conditions and the liquid properties on the atomization are inter-dependent. Analyses of experimental data help us to understand the involved mechanisms and their interactions. On the one hand, this is useful for the numerical developments which should be carried out depending upon the configuration. On the other hand, quantitative criterion could be established to validate the simulation results. Following the above research methodology, we aim to study the disintegration of planar turbulent liquid sheets produced by a triple-disk injector. Experimental measurements provide the sheet images, used as input for a multi-scale analysis. We investigate, thanks to the latter, the behaviours of the liquid sheet, the ligaments appearing on its edges and the resulting droplets. Moreover, two immersed boundary methods are developed, aiming to simultaneously solve the nozzle flow and the breakup process. We carry out two applications, the first one on a liquid jet ejected by a cylindrical nozzle and the other a planar sheet issuing from a triple-disk injector.

Les mousses liquides sont très utilisées dans l'industrie comme dans la vie quotidienne. Cependant, leur stabilité n'est ni complètement comprise ni complètement maîtrisée, la formulation étant essentiellement empirique. Il est donc difficile d'une part de prédire la capacité d'une solution de tensioactifs à générer des mousses et d'autre part de prédire et de contrôler leur déstabilisation. Ce travail de thèse propose des expériences conceptuellement simples qui s'appuient sur le caractère multi-échelle des mousses pour tenter d'établir des liens clairs entre physico-chimie et mécanismes de déstabilisation. Dans un premier temps, nous avons revisité une expérience d'entraînement de films liquides sur un cadre pour illustrer la stabilité des films lors de la génération des mousses ou pendant un réarrangement (processus T1). Nous avons mis en lumière l’existence de deux régimes. Un régime dit non confiné, pour lequel la stabilité des films et réduite et dépend de la physico-chimie. Un régime dit confiné pour lequel le rôle de la physico-chimie est limité et la stabilité est majoritairement contrôlée par l’hydrodynamique.Dans un second temps nous nous sommes intéressés à l'influence de la physico-chimie et de la fraction liquide sur la compétition entre coalescence et mûrissement grâce à l'étude d'une unique couche de bulles (mousse 2D). Nous proposons une méthode de mesure in situ de la perméabilité des films par l'étude simple et rapide du régime transitoire du mûrissement de mousses 2D. Nous avons observé une corrélation entre coefficient de diffusion du gaz contenu dans les bulles et perméabilité.Enfin nous décrivons les résultats d’une expérience spatiale sur le vieillissement à temps long des mousses humides (fraction liquide supérieure à 30% en volume), extrêmement difficile sur Terre à cause du drainage gravitaire, et à laquelle nous avons participé. / Liquid foams are widely used in industry and in everyday life. However, their stability is not fully understood or fully controlled, their formulation being essentially empirical. It is therefore difficult to predict the ability of a surfactant solution to generate foam and to control their destabilization. This thesis proposes simple experiments that rely on the multi-scale nature of foams in order to attempt to establish clear links between physical chemistry and stability.First of all, we revisited an experiment of liquid films entrainment to illustrate the stability of foam films during generation or rearrangement (T1 process). We have shown the existence of two regimes: (i) a unconfined regime, for which the stability of films is reduced and depends on physical chemistry and (ii) a confined regime for which the role of physical chemistry stability is limited and is mainly controlled by hydrodynamics.Secondly, we investigated the influence of physical chemical and liquid fraction on the competition between coalescence and coarsening thanks to the study of a single layer of bubbles (2D foam). We propose a method for in situ measurement of the permeability of films by simple and fast study of the transient regime of coarsening in 2D foam. We observed a correlation between diffusion coefficient of gas and permeability.Finally we describe the results of a space experiment on wet foam aging at large times (volume liquid fraction higher than 30%), extremely difficult on Earth because of gravity drainage, and to which we participated.

Cette thèse porte sur l'utilisation de champs électriques pour faciliter l'élimination de l'eau coproduite avec le pétrole brut, sous la forme d'émulsions stables, lors des étapes d'extraction et de dessalement. Ce procédé, connu sous le nom d'électrocoalescence, s'appuie sur la capacité qu'ont les forces électrostatiques à promouvoir l'attraction et la coalescence de gouttelettes d'eau proches afin d'en augmenter la taille et ainsi d'en accélérer la sédimentation par gravité. Bien que les premières observations expérimentales datent déjà d'un siècle, de nombreuses zones d'ombres subsistent, notamment en ce qui concerne l'optimisation de l'efficacité des électrocoalesceurs de dernière génération. Dans ce contexte, une démarche, combinant simulation numérique multiphysique et expérimentation, a été mise en place pour étudier les phénomènes de mouvement, de déformation et d'instabilité d'interfaces eau-huile induit par la présence d'un champ électrique. La contribution la plus marquante concerne la modélisation et l'analyse de l'effet des forces électrostatiques sur le mécanisme d'amincissement du film d'huile séparant les gouttes. Les résultats numériques mettent en évidence la singularité du problème et l'inadaptabilité des modèles théoriques de lubrification classiquement adoptées pour représenter la coalescence dans les écoulements diphasiques. Une nouvelle expression asymptotique pour le calcul du temps de drainage entre les gouttelettes de l'émulsion est proposée et utilisée pour déduire un critère prédisant la probabilité d'électrocoalescence lors d'une collision dans un écoulement cisaillé. En parallèle, un dispositif sophistiqué, permettant de reproduire expérimentalement le phénomène et d'améliorer la représentativité du critère, a été construit. Enfin, en réponse à un point bloquant décelé lors de la phase de conception de ce dernier, une technique innovante d'injection à la demande de gouttes conductrices non chargées dans un liquide visqueux isolant, utilisant des impulsions électrostatiques, a été développé.