Impact de goutte sur une surface solide

Drop impact on a solid surface

• Auteur / Autrice : Julien Philippi
• Direction : Arnaud Antkowiak, Pierre-Yves Lagrée
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 30/09/2015
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Le Rond d'Alembert (Paris ; 2006-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Duchemin, Philippe Gondret, Stéphane Zaleski
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marco Antonio Fontelos, Laurent Limat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gouttes

Couche limite

Mots clés libres

Impact de goutte

Méthodes asymptotiques

Solutions autosimilaires

Simulations numériques

Cloches liquides

Fluides à seuil

Drop impact

Asymptotic methods

Résumé

Dans cette thèse nous nous intéressons au problème de l’impact d’une goutte sur une surface solide. Nous proposons pour cela de nous placer dans un cadre plus général en utilisant les analogies existantes avec d’autres problèmes d’impact. Dans la première partie de ce manuscrit nous proposons de revisiter le problème de l’impact de goutte pour les temps courts à la lumière de son problème dual à savoir l’impact d’un objet solide dans un bain liquide lorsque l’inertie est l’effet dominant. De cette analogie est déduit un modèle reposant sur la théorie des écoulements potentiels. L’analyse asymptotique nous permet de dégager à l’ordre dominant les mécanismes essentiels de ce problème puis nous mettons en évidence la structure autosimilaire des champs de pression et de vitesse induits par l’impact. La structure de la couche limite est également étudiée. Les prédictions théoriques issues de ce modèle sont comparées à des solutions numériques obtenues à l’aide d’un solveur des équations de Navier-Stokes. Nous étudions ensuite les temps intermédiaires de l’impact, correspondants au moment où la solution autosimilaire cesse d’être valide et nous déterminons les causes de cette transition. Dans la troisième partie nous étudions un cas particulier d’évolution aux temps longs en revisitant le problème de l’impact d’une goutte sur un disque de même taille. Nous obtenons les solutions analytiques pour les champs de pression et de vitesse à l’instant initial et nous proposons ensuite différentes directions de recherche pour l’étude de l’évolution de la nappe liquide induite par l’impact. Nous finissons ce manuscrit par une brève introduction aux impacts de goutte de fluides à seuil.

In this thesis we consider the problem of drop impact onto a solid surface. In order to study this phenomenon we consider a more general framework by using analogies with some other impact problems which are a priori very different. In the first part of the thesis we propose to revisit the inertia-dominated drop impact problem for short times at the light of the dual problem defined by the impact of a solid object onto a liquid bath. We deduce from this analogy a model based on potential flow theory. Then asymptotic analysis is used to determine the essential mechanisms of the problem at leading order. This approach reveal a self-similar structure both for the velocity field and the pressure field induced by the impact. The structure of the boundary layer is also studied. Theoretical predictions deduced from this model are compared with numerical solutions obtained with the Navier-Stokes multiphase flow solver Gerris. Then we study the impact for intermediates times which correspond to the period of the breakdown of the self-similar solution. The origin of the transition is determined by using new numerical experiments. In a third part we propose to study a particular case of long time evolution by revisiting the problem of drop impact onto a solid target matching its own size. We obtain analytical solutions for pressure and velocity fields at initial time by using pressure impulse theory and we propose few research directions for the study of the evolution of the liquid sheet induced by the impact. This thesis ends with a brief introduction to drop impact of Bingham fluids.