Analyse numérique du mouillage sur surfaces texturées par la méthode Lattice Boltzmann

Numerical analysis of wetting on textured surfaces by Lattice Boltzmann Method

• Auteur / Autrice : Vincent Neyrand
• Direction : Stéphane Valette, Jean-Michel Bergheau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux
• Date : Soutenance le 02/04/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1992?-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École Centrale de Lyon (1857-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
• Jury : Président / Présidente : Juliette Cayer-Barrioz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Valette, Jean-Michel Bergheau, Emmanuel Lévêque, Karine Anselme, Sophie Costil
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Etienne Barthel, Julien Bruchon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mouillage (chimie des surfaces)

Méthode de Boltzmann sur réseau

Mots clés libres

Simulation numérique

Méthode Lattice Boltzmann

Mouillage

Texturation de surface

Ligne triple

Numerical Simulation

Lattice Boltzmann Method

Wetting

Surface texturation

Triple line

Résumé

Ce mémoire de thèse présente une analyse numérique de l'influence de la texturation chimique ou topographique de surface sur le comportement statique et dynamique d'une goutte. La méthode numérique utilisée pour ces travaux est la méthode Lattice Boltzmann. C'est une méthode qui peut à la fois prendre en compte des interactions globales d'un fluide et des interactions locales entre fluide et solide ce qui est idéal pour simuler le mouillage. Cette méthode est couplée à un modèle d'interaction par pseudo-potentiel qui permet de simuler les interactions entre deux fluides. De plus, afin de contrôler les interactions entre les fluides et un solide texturé chimiquement, une amélioration d'un modèle d'interaction fluide-solide est proposée. En simulant le mouillage sur surfaces texturées à l'aide de cet outil numérique, deux phénomènes de ligne triple sont observés en fonction des textures : le collage et la relâche.Le phénomène de collage a pour effet de bloquer la ligne triple dans certaines conditions, en fonction de l'intensité des textures. Si ces conditions ne sont pas respectées, la ligne triple est tout de même ralentie en fonction de l'intensité de la texture. Le phénomène de collage tend à réduire l'étalement d'une goutte.Le phénomène de relâche est opposé au collage, il a pour effet de forcer un déplacement de ligne triple. Ce déplacement est induit par une accélération de ligne triple lorsqu'une texture est franchie. Le phénomène de relâche tend à augmenter l'étalement d'une goutte.Par l'étude dynamique, il a été montré que l'interface liquide-gaz se déforme pendant l'étalement. Cette déformation se propage dans la goutte et peut localement dépasser les conditions d'équilibre d'une goutte sur une surface. De plus, lorsque la ligne triple traverse une texture, une déformation au niveau de l'interface liquide-gaz est aussi générée et propagée.A la lumière de ces résultats, est finalement discutée l'influence de la texturation sur l'étalement d'une goutte : le comportement de la ligne triple et la déformation de l'interface liquide-gaz.

This manuscript presents a numerical analysis of the influence of chemical or topographic surface texturing on the static and dynamic behaviour of a drop.The numerical method used for this work is the Lattice Boltzmann method. It is a method that can both consider the global interactions of a fluid and the local interactions between fluid and solid which is ideal for simulating wetting. This method is coupled to a pseudo-potential interaction model which allows to simulate the interactions between two fluids. In addition, in order to control the interactions between fluids and a chemically textured solid, an improvement of a fluid-solid interaction model is proposed.By simulating wetting on textured surfaces using this numerical tool, two triple line phenomenons are observed as a function of the textures: sticking and release.The sticking phenomenon has the effect of blocking the triple line under certain conditions, depending on the intensity of the textures. If these conditions are not respected, the triple line is still slowed down depending on the intensity of the texture. The phenomenon of sticking tends to reduce the spread of a drop.The releasing phenomenon is the opposite of sticking, it has the effect of forcing a displacement of the triple line. This displacement is induced by a triple line acceleration when a texture is crossed. The releasing phenomenon tends to increase the spread of a drop.By dynamic study, it has been shown that the liquid-gas interface is deformed during spreading. This deformation propagates within the drop and can locally exceed the equilibrium conditions of a drop on a surface. In addition, when the triple line crosses a texture, deformation at the liquid-gas interface is also generated and propagated.In the light of these results, the influence of texturing on the spreading of a drop is finally discussed: the behaviour of the triple line and the deformation of the liquid-gas interface.