Mouvements de ligne de contact et solidification

Contact line motion and solidification

• Auteur / Autrice : Rodolphe Grivet
• Direction : Christophe Josserand, Thomas Séon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides et des solides, acoustique
• Date : Soutenance le 20/12/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Hydrodynamique de l'École polytechnique (Palaiseau ; 1990-....) - Laboratoire d'hydrodynamique / LadHyX
• Jury : Président / Présidente : Laurence Gorre-Talini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Josserand, Jens Eggers, Daniel Bonn, Laurent Limat, Christophe Raufaste, Emmanuel Villermaux
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jens Eggers, Daniel Bonn

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrodynamique

Mécanique des fluides

Solidification

Mots clés libres

Solidification

Gouttes

Films

Solidification

Drops

Liquid films

Résumé

Ce manuscrit porte sur l’interaction entre les phénomènes de solidification et le mouvement de lignes de contact dans le contexte plus général de la solidification d’écoulements capillaires. Au delà de leur élégance esthétique, ces phénomènes sont d’une importance capitale dans différents domaines industriels, tels que le givrage des aéronefs, les recouvrements métallurgiques ou encore la fabrication additive. Ils sont également très présents dans des contextes naturels, lors de la formation de cascades de glace ou de stalagmites par exemple.La ligne de contact déterminant des conditions aux limites géométriques pour l’écoulement, son rôle est essentiel dans le couplage entre l’écoulement et la solidification. Elle est cependant également affectée par cette dernière. Son comportement est donc examiné dans différentes situations expérimentales.Dans le cas du dépôt de gouttes sur des surfaces froides, nous montrons que la ligne de contact est arrêtée par la croissance de cristaux au contact de la surface, ce qui modifie la taille du dépôt final. Nous proposons un modèle simplifié permettant de comprendre la dynamique de ces cristaux. Dans le cas d’un impact de gouttes d’eau sur des surface froides, nous montrons que l’inertie couplée à la solidification rend progressivement le système superhydrophobe, un comportement qui a des conséquences drastiques sur la morphologie de l’impact et la transition au splash. Ce changement de comportement est caractérisé non seulement par l’évolution de la vitesse de transition au splash, mais aussi par un changement de dynamique des gouttelettes secondaires. Nous présentons également des résultats expérimentaux sur l'impact d'une goutte d'eau chaude sur de la glace et montrons le rôle de la fusion de la glace dans l'augmentation du rayon d'étalement maximal de a goutte. Ensuite, dans le cas d’une ligne de contact en recul sur de la glace en croissance (ménisque dynamique avec solidification), nous montrons qu’il est possible de maintenir une ligne de contact stationnaire à n’importe quel nombre capillaire, ce qui est confirmé par l’intégration numérique d’un modèle théorique. Ces dernières expériences suggèrent également un angle de contact non nul entre l’eau et la glace, indépendamment du changement de phase. Enfin, nous présentons des résultats expérimentaux montrant la dynamique d'accrochage-décrochage non-triviale d'une ligne de contact avançant sur de la glace.

This manuscript explores the interaction between solidification phenomena and the motion of contact lines in the broader context of capillary flow solidification. Beyond their aesthetic elegance, these phenomena are of paramount importance in various industrial fields, such as aircraft icing, metallurgical coatings, and additive manufacturing. They are also prevalent in natural contexts, such as the formation of ice cascades or stalagmites, for example.The contact line, by determining geometric boundary conditions for the flow, plays an essential role in the coupling between flow and solidification. However, it is also influenced by the latter. Its behavior is therefore examined in different experimental situations.In the case of droplet deposition on cold surfaces, we demonstrate that the contact line is arrested by the growth of crystals on the solid contact, thereby altering the size of the final deposit. We propose a simplified model to understand the dynamics of these crystals. In the case of water droplet impacting cold surfaces, we show that inertia coupled with solidification gradually renders the system superhydrophobic, a behavior that has drastic consequences on the impact morphology and the transition to splashing. This change in behavior is characterized not only by the evolution of the splashing transition velocity but also by a change in the dynamics of secondary droplets. We also present experimental results on the impact of a heated water drop on ice, showing the role of ice melting in increasing the maximum spreading radius of the droplet.Next, in the case of a receding contact line on growing ice (dynamic meniscus with solidification), we demonstrate that it is possible to maintain a stationary contact line at any capillary number, which is confirmed by the numerical integration of a theoretical model. These experiments also suggest a nonzero contact angle between water and ice, independent of the phase change. Finally, we present experimental results showing the non-trivial stick-slip dynamics of an advancing contact line on ice.