DNS de nucléation et d'effondrement des bulles attachées à la paroi
Auteur / Autrice : | Mandeep Saini |
Direction : | Daniel Fuster |
Type : | Thèse de doctorat |
Discipline(s) : | Mécanique |
Date : | Soutenance le 09/12/2022 |
Etablissement(s) : | Sorbonne université |
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 : | Président / Présidente : Arnaud Antkowiak |
Examinateurs / Examinatrices : Outi Supponen, Stéphane Zaleski | |
Rapporteur / Rapporteuse : Fabian Denner, Éric Goncalves |
Mots clés
Mots clés contrôlés
Mots clés libres
Résumé
Les bulles issues du phénomène de cavitation apparaissent dans d'innombrables applications dans de différents domaines. Toutefois, leur interaction avec le milieu environnant n'est pas bien comprise. Dans ce travail, nous étudions de manière approfondie le processus de nucléation et d'effondrement des bulles en contact avec une paroi rigide, conduisant à une interaction complexe entre la bulle, la paroi et le milieu environnant. Nous nous concentrons sur la nucléation hétérogène. Dans ce processus, les bulles sont générées à partir de petites poches instables de gaz potentiellement piégées dans les impuretés du solide. Nous supposons que ces poches ont la forme d'une calotte sphérique et nous examinons leur stabilité grâce à la théorie quasi-statique dans le cadre de la dynamique de la ligne de contact, à savoir le pincement et le libre déplacement. Nous montrons que la stabilité des bulles dépend du comportement de la ligne triple de contact et que le pincement stabilise les poches de gaz. Nous utilisons des simulations numériques directes pour étudier la dynamique de la nucléation des bulles et pour déterminer les effets visco-capillaires au voisinage de la paroi. Les simulations numériques révèlent que la croissance de cette dernière tend vers une valeur asymptotique pour de grands nombres capillaires lorsque le nombre d'Ohnesorge est plus petit que l'unité. Il est intéressant de noter que la valeur asymptotique de la vitesse adimensionnelle de la ligne de contact varie avec le cube de l'angle de contact, ce qui est en accord avec la théorie de Cox-Voinov. Dans la partie suivante, nous concentrons sur le phénomène d'effondrement des bulles en forme de calotte sphérique. Nous montrons que la réponse dynamique d'une bulle en forme de calotte sphérique en contact avec une paroi rigide dépend de l'angle de contact effectif à l'instant précédant l'effondrement. Ce paramètre nous permet de distinguer deux régimes dans lesquels les mécanismes d'interaction entre la bulle qui s'effondre et le milieu qui l'entoure sont très différents : lorsque l'angle de contact est inférieur à 90 degrés, un jet classique dirigé vers la paroi est observé tandis que pour un angle de contact initial supérieur à 90 degrés, un jet annulaire rentrant parallèle à la paroi apparaît. Nous montrons que ce changement de comportement peut être expliqué en utilisant la théorie de l'écoulement potentiel impulsionnel pour les petits temps qui montre la présence d'une singularité lors de l'accélération initiale de la ligne de contact quand l'angle de contact est supérieur à 90 degrés. Dans certains cas, les résultats numériques et expérimentaux révèlent que l'effondrement des bulles plates peut éventuellement mener à la formation d'un anneau tourbillonnaire qui induit de manière inattendue des effets à longue distance. Nous utilisons l'équation de conservation de l'énergie pour caractériser l'énergie cinétique des jets de liquide formés pendant l'effondrement de bulles non-sphériques en contact avec la paroi rigide. Selon la forme de la bulle, une petite quantité d'énergie cinétique demeure dans la phase liquide lorsqu'on atteint le volume minimal, et pénalise donc la pression maximale de gaz à cet instant. Dans la dernière partie, nous étudions le problème de la nucléation et de l'effondrement de multiples bulles de cavitation au contact d'une paroi rigide. Nous discutons de l’asymétrie résultant de l'impulsion de pression en fonction de la vitesse du son dans la phase liquide. Nous supposons que cette asymétrie est causée par la vitesse finie des effets sonores, qui résulte du fait que de minuscules bulles restent à l'intérieur de la phase liquide lors des successives expériences de cavitation.