Impact de gouttes à haute vitesse sur des surfaces liquides : perspectives numériques et applications à des configurations de marée noire

Splash of high-speed drop impact : numerical insights and applications to oil-contaminated pools

• Auteur / Autrice : Hui Wang
• Direction : Annie-Claude Bayeul Lainé, Olivier Coutier-Delgosha
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides (AM)
• Date : Soutenance le 04/12/2023
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMFL Laboratoire de Mécanique des Fluides de Lille - Laboratoire de Mécanique des Fluides de Lille – Kampé de Fériet - UMR 9014
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Zaleski
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Annie-Claude Bayeul Lainé, Olivier Coutier-Delgosha, Alfonso Castrejón-Pita, Christophe Josserand, Henri Lhuissier, Joseph Katz
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Alfonso Castrejón-Pita, Christophe Josserand

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bulles -- Dynamique

Écoulement polyphasique

Aérosols marins

Dissertation universitaire

Dynamique des fluides

Mots clés libres

Impact de goutte

Écoulement multiphasique

Éclaboussures

Gouttelettes/bulles

Canopée de bulles

Aérosols marins

Drop impact

Multiphase flow

Splashing

Droplets/bubbles

Bubble canopy

Marine aerosols

Résumé

L'impact d'une goutte d’eau sur une piscine d’eau profonde produit une vaste gamme de phénomènes physiques, constituant un domaine d'étude complexe avec des applications à la fois dans les domaines industriels et de l’environnement. De nombreux aspects clés du processus demeurent peu explorés, en particulier les mécanismes physiques mis en jeu dans les conditions d'impact les plus énergétiques. À une vitesse d'impact élevée, une couronne liquide à paroi mince se forme rapidement au-dessus de la surface libre, avant de se refermer en emprisonnant de l'air. De tels cas, caractérisés par des échelles de temps plus courtes et une complexité accrue des aérosols liquides engendrés par l’impact, posent d'énormes défis tant pour les approches expérimentales que numériques, et ont reçu peu d'attention jusqu’à présent. Dans cette thèse, nous utilisons une méthode de simulation numérique directe (DNS) pour analyser les dynamiques complexes observées lors de l'impact d'une goutte, en mettant l'accent sur les régimes d'impact à haute vitesse. Par des calculs axisymétriques, les comportements obtenus sont tout d’abord explorés sur une large gamme de nombre de Weber et de Reynolds, notamment à travers une analyse des premiers instants après l’impact. Une analyse approfondie des détails des mécanismes de formation et de fermeture de la couronne, ainsi que des aérosols engendrés, est ensuite réalisée grâce à une simulation 3D haute résolution. Nous étendons également notre étude au cas d'une couche d'huile flottante à la surface de la piscine, simulant des conditions de marée noire. Plusieurs épaisseurs d’huile et l’influence de l’ajout de dispersants sur les phénomènes mentionnés précédemment sont explorés. L’objectif de ces travaux est d’apporter de nouvelles perspectives sur la dynamique des impacts à haute vitesse de gouttes d’eau, et notamment de discuter les effets de la tension de surface sur cette dynamique.

The impact of a liquid drop onto a deep liquid pool induces a broad range of physical phenomena, constituting a fascinating and crucial area of study with far-reaching implications across industrial and natural domains. Despite significant advancements in our comprehension, many key aspects of the process remain scarcely explored, particularly concerning the intricate interplay within the most energetic impact conditions. At high-speed impact velocity, a thin-walled liquid crown arises, swiftly followed by necking in and air encapsulation, giving rise to a distinctive ``Bubble Canopy'' structure. Such cases, characterized by shorter time scales and increased complexities of splash, pose formidable challenges for both experimental and numerical approaches and have thus received limited prior attention. In this thesis, we employ the latest state-of-the-art numerical methods to delve into the intricate dynamics that unfold during drop impact, with a primary focus on high-speed impact regimes. Through axisymmetric configurations, we systematically characterize a wide array of repeatable early jet behaviours and crater evolution modes, facilitating a comprehensive exploration of how liquid properties progressively shape the impact phenomenon. A thorough analysis of the splashing details within the bubble canopy regime is subsequently conducted through a high-resolution 3D simulation. We further extend our inquiry to the scenario featuring the presence of a floating oil slick on the pool surface, introducing an additional layer of complexity and practical relevance to the post-oil spill conditions. Through this research, we aim to provide new insights into the dynamics of high-speed drop impact splash, shedding light on previously unexplored aspects of this intriguing phenomenon.