Thèse soutenue

Gouttes et billes sous grande déformation biaxiale : le rôle de la viscosité et de l'élasticité.

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Auteur / Autrice : Carole-Ann Charles
Direction : Christian LigoureLaurence Ramos
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique et Astrophysique
Date : Soutenance le 02/12/2021
Etablissement(s) : Montpellier
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Coulomb (Montpellier)
Jury : Président / Présidente : Isabelle Cantat
Examinateurs / Examinatrices : Christian Ligoure, Laurence Ramos, Isabelle Cantat, Anne-Laure Biance, Yoël Forterre, Christian Clasen
Rapporteurs / Rapporteuses : Anne-Laure Biance, Yoël Forterre

Résumé

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La compréhension des phénomènes de déformation de gouttes après impact constitue un enjeu considérable pour des secteurs industriels tels que l'impression par jet d'encre, l'application de pesticides, le revêtement par pulvérisation, etc. Poussés par ces motivations, nous étudions les déformations subies par des gouttes de fluides Newtoniens, rhéo-fluidifiants, et de gels transitoires après impact, et de billes élastiques molles dans une autre configuration expérimentale.Dans un premier temps, les gouttes sont impactées sur une surface couverte d'une fine couche d'azote liquide qui en s'évaporant fournit les conditions idéales pour étudier la déformation de nappes liquides grâce à un effet Leidenfrost froid. Dans ces conditions, deux régimes sont identifiés : un régime capillaire pour lequel le diamètre maximal de la nappe ne dépend pas de la viscosité du fluide et un régime visqueux pour lequel celui-ci décroit lorsque la viscosité augmente. Cette décroissance est due à la dissipation visqueuse lors de l'extension de la nappe et est contrôlée par la viscosité extensionnelle biaxiale. Pour des solutions polymériques, nous montrons que cette viscosité prend en compte le caractère rhéo-fluidifiant du fluide. Dans ces conditions, nous avons impacté des fluides plus complexes qui se comportent comme des fluides de Maxwell. Un modèle d’oscillateur harmonique amorti non linéaire prédit le diamètre maximal de la nappe, d<sub>max</sub>, ainsi que le temps, t<sub>max</sub>, nécessaire pour atteindre d<sub>max</sub>. Un bon accord quantitatif entre expérience et théorie est obtenu pour des fluides Newtoniens jusqu'à des viscosités élevées et des fluides de Maxwell dont le temps de relaxation caractéristique est plus grand, plus petit ou comparable au temps caractéristique de l'expérience, t<sub>max</sub>.Dans une deuxième partie, les gouttes sont impactées sur de petites surfaces solides, appelées cibles, complexifiant le champ d'écoulement auquel les gouttes sont soumises. En effet, la portion de la nappe se trouvant en contact avec la cible est soumise à un cisaillement qui engendre une dissipation visqueuse de cisaillement et la portion s'étendant hors de la cible est uniquement sujette à la dissipation extensionnelle biaxiale. Nous prédisons l'expansion maximale de la nappe en fonction de la viscosité pertinente identifiée en évaluant quantitativement les dissipations dues au cisaillement et à l'extension biaxiale. Nous montrons, finalement, une corrélation entre le diamètre maximal de la nappe et le diamètre de la cible. A nouveau, l'importance de considérer le caractère rhéo-fluidifiant des solutions de polymères, pour rationaliser les résultats expérimentaux, est démontrée.Nous nous intéressons ensuite à l’émergence et à la dynamique du bourrelet entourant une nappe visqueuse en expansion. Nous présentons des mesures directes du champ d'épaisseur de la nappe qui permettent de mesurer les évolutions temporelles de la forme et du volume du bourrelet. Un modèle analytique est développé pour prédire la vitesse et le taux de remplissage du bourrelet. Nous identifions et comparons les importances relatives des contributions de la tension de surface, des forces d'inertie et de la viscosité à la vitesse de remplissage. Nous montrons que la contribution des forces d'inertie ne peut être négligée. Un très bon accord est trouvé entre valeurs théoriques et expérimentales.Finalement, nous utilisons un tensiomètre à bille tournante pour étudier la déformation biaxiale de billes élastiques molles. Ce dispositif permet de déformer une bille élastique immergée dans un fluide plus dense par la mise en rotation autour de son axe d'un capillaire qui les contient. Avec l'hypothèse d'une déformation homogène de la bille, nous parvenons à découpler théoriquement la mesure du module élastique de celle de la tension de surface. Ces mesures sont confrontées avec succès aux mesures expérimentales.