Normal impact of liquid droplets on smooth solid surfaces

par Yang Xu

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Qi-Chang He et de Stéphane Vincent.

Soutenue le 17-10-2018

à Paris Est , dans le cadre de SIE - Sciences, Ingénierie et Environnement , en partenariat avec Laboratoire Modélisation et simulation multi échelle (Marne-la-Vallée) (laboratoire) et de Laboratoire Modélisation et Simulation Multi Echelle (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Luc Estivalèzes.

Le jury était composé de Stéphane Vincent, Qi-Chang Hé, Hung Le Quang, Jean-Paul Caltagirone, Daniel Fuster.

Les rapporteurs étaient Erick Meillot.

  • Titre traduit

    Impact normal des gouttelettes liquides sur les surfaces solides lisses


  • Résumé

    Dans le cadre de la modélisation et de l’expérimentation multi-échelles (projet LabEx MMCD pour les matériaux pour la construction durable) de l’Université Paris-Est Marne-la-Vallée, cette thèse de doctorat vise à modéliser et caractériser les micro-matériaux conçus par impact de gouttelettes de céramique fondue. Les applications de ces matériaux revétus de couches minces sont des traitements de surface pour la construction durable tels que la protection anti-corrosion, les barrières thermiques, le traitement du verre ou les renforts mécaniques. En particulier, nous nous concentrons sur la physique associée à la dynamique des gouttelettes liquides (l'aire de contact et le temps de contact entre la gouttelette et la surface) en effectuant une série de simulations numériques pour les écoulements diphasiques à petite échelle avec le code maison Thetis. Nous avons considéré des variations des conditions d'impact initiales ainsi que l’influence des forces d'inertie, capillaire et visqueuses sur la dynamique des gouttelettes. Nous nous sommes intéressés en particulier au diamètre d'étalement maximal, au temps d’étalement maximal et au temps de contact, sur des surfaces solides de mouillabilité variable. Le code est basé sur l’utilisation d’une méthode Volume-Of-Fluid. Il introduit une fonction auxiliaire régularisée pour estimer la courbure locale et la normale à l'interface. Les principaux liquides de référence adoptés sont l'eau et la céramique fondue, l'eau est choisie pour valider notre code en comparant les simulations aux résultats expérimentaux. La céramique fondue est adoptée car elle est largement utilisée en projection thermique pour créer des barrières thermiques et chimiques (couches anti-oxydantes) ainsi que des renforts mécaniques sur des échantillons spécifiques. Nous nous concentrons sur les cas où les surfaces sont hydrophobes, même si les cas hydrophiles sont également considérés dans les configurations de validation pour des raisons de généralité. Egalement, en introduisant une partie de calcul de l'énergie dans la thèse, une analyse énergétique détaillée de la gouttelette après l'impact est effectuée dans les phases d'étalement et de rétraction pour bien comprendre la dynamique à l'intérieur de la gouttelette. Nous trouvons que le temps de projection est inversement proportionnel à la vitesse d’impact, indépendamment de l’angle de contact lors de l’étalement au temps courts. Une nouvelle mise à l'échelle entre l'étalement maximal et le temps d'étalement est proposée. Celle-ci s'accorde très bien avec les résultats expérimentaux. Par ailleurs, nous introduisons cette mise à l’échelle dans une classe de modèle basée sur la conservation de l’énergie pour prédire l’étalement maximal adimensionné, ce qui permet de mieux prévoir l’étalement maximal adimensionné. Pour finir, une mise à l'échelle du temps de contact est proposée en termes de nombre d'Ohnesorge et de Reynolds


  • Résumé

    Under the framework of the LabEx Multi-Scale Modelling and Experimentation of Materials for Sustainable Construction, of Université Paris-Est Marne-La-Vallée, the present PhD thesis aims at modelling and characterizing micro-material designed by impact of molten ceramic droplets. The applications of thin coating materials are surface treatments for sustainable construction such as anti-corrosion, heat barrier, glass treatment or mechanical reinforcement of specific structures.In particular, we focus on the physics behind the liquid droplets' dynamics (the contact area and the contact time between the droplet and surface) by conducting a series of small scale multiphase flow numerical simulations with home-made code Thetis. All simulations are axisymmetric. We have considered variations of initial impact conditions, and studied the influence of inertial, capillary and viscous forces on the droplets' dynamics, especially the maximum spreading diameter, spreading time and the contact time, on solid surfaces. The code is based on Volume-Of-Fluid techniques and introduces an auxiliary smooth function to estimate the local curvature and the normal to the interface. The major reference liquid adopted are the water and the molten ceramic, the water is chosen to validate our code against available experiments at the beginning. The molten ceramic is adopted as it is widely used in thermal spray to built thermal and chemical barriers (anti-oxidant layers) as well as mechanical reinforcements on specific samples. We focus on the cases in which the surfaces are hydrophobic, even if hydrophilic cases are also considered in validation configurations for the sake of generality. Meanwhile, by introducing an energy calculation part in the code, a detailed energetic analysis of the droplet after impact is performed in both the spreading and retraction stage to have a deep understanding of the dynamics inside the droplet.We find the jetting time is inversely proportional to the impact velocity, independent of the contact angle in the early spreading. A new scaling between maximum spreading and spreading time is observed, and agrees well with experimental results. Further, we introduce this scaling into the model based on energy conservation to predict the maximum spreading factor, which provides better prediction on maximum spreading factor than existing literature references. Also a scaling of contact time is proposed in terms of Ohnesorge number and Reynolds number


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