Rupture et vibration de films granulaires

Granular film rupture and vibration

• Auteur / Autrice : Nabil Retailleau
• Direction : Florence Rouyer, Yacine Khidas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 07/11/2023
• Etablissement(s) : Université Gustave Eiffel
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Navier (Paris-Est) - Laboratoire Navier (Paris-Est)
• Jury : Président / Présidente : Élise Lorenceau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Florence Rouyer, Yacine Khidas, Marie Le Merrer, Florence Elias, Pierre Jop
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie Le Merrer, Florence Elias

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rupture

Milieux granulaires

Surfactants

Capillarité

Mousse (chimie)

Mots clés libres

Matière molle

Capillarité

Milieux granulaires

Expérience

Soft matter

Capillarity

Granular medias

Experiment

Résumé

Les films liquides font l'objet de nombreuses études pour répondre à diverses problématiques industrielles telles que la conception de mousses de façon contrôlée pour des besoins dans les industries agro-alimentaire, minière ou du génie civil. Leur stabilité et leur vieillissement sont toujours des questions d'actualité. Il existe différents moyens de stabiliser un film liquide, il est possible d'utiliser des tensioactifs solubles, on parle de films de savon, ou des particules solides, on parle de films chargés en particules. On s'intéresse, ici, à des films de savon suspendu dans l'air dont les deux interfaces sont pontées par des grains solides non-colloïdaux, que l'on appelle films granulaires. Des études précédentes ont montré que la fraction surfacique de grains dans un tel film impactait leur mécanisme de rupture, et notamment que l'ouverture de ces films pouvaient être stoppée lorsque le film se rétractait et que la densité en particules augmentait. Le travail de cette thèse se concentre sur l'étude de l'influence des forces capillaires sur le comportement à la rupture et la réponse vibrationnelle d'un film granulaire très dense (les grains occupent 87 % de la surface du film). Nous avons conçu des dispositifs expérimentaux permettant de former des films granulaires et de contrôler la pression du liquide entre les particules afin d'observer leur réaction à une variation de cette pression, de sonder leur ouverture suite à une rupture provoquée et de caractériser leur mode vibratoire. Différents régimes d'ouverture ont pu être observés, dépendant de cette pression : pour des pressions liquides proches de la pression atmosphérique, le film granulaire dense éclate tel un film de savon, au-delà d'une dépression critique, l'ouverture du film est stoppée. L'influence de différents paramètres tels que la taille des grains, leur angle de contact avec la solution aqueuse ont pu être investigués et montrent que la pression critique est de l'ordre d'un tiers de la pression capillaire calculée à l'échelle d'un grain. Nous avons également adapté ce dispositif pour sonder les propriétés vibrationnelles de ces films granulaires horizontaux en le soumettant à des vibrations verticales de fréquences inférieures à 1 kHz. Ces premières études montrent pour des pressions liquides proches de la pression atmosphérique que les modes d'un film granulaire peuvent être décrits comme ceux d'une membrane tendue dont la tension est de l'ordre de deux fois la tension de surface des interfaces liquide-air

Liquid films are the subject of numerous studies aimed at addressing various industrial challenges, such as the controlled design of foams for use in the food, mining, or civil engineering industries. Their stability and aging remain relevant questions. There are various methods to stabilize a liquid film, including the use of soluble surfactants, referred to as soap films, or solid particles, known as particle-laden films. Here, we focus on soap films suspended in the air, with both interfaces bridged by non-colloidal solid grains, referred to as granular films. Previous studies have shown that the surface fraction of grains in such a film impacts their rupture mechanism, particularly that the opening of these films can be stopped when the film retracts and the particle density increases. This thesis work focuses on studying the influence of capillary forces on the rupture behavior and vibrational response of a very dense granular film (grains occupy 87% of the film's surface). We have designed experimental setups to create granular films and control the liquid pressure between the particles to observe their behavior to pressure variations, investigate their opening after induced rupture, and characterize their vibrational modes. Different opening regimes have been observed, depending on this pressure: for liquid pressures close to atmospheric pressure, the dense granular film bursts like a soap film; beyond a critical depression, the film's opening is stopped. The influence of various parameters such as grain size and their contact angle with the aqueous solution has been investigated and shows that the critical pressure is on the order of one-third of the capillary pressure calculated at the scale of a grain. We have also adapted this setup to probe the vibrational properties of these horizontal granular films by subjecting them to vertical vibrations with frequencies below 1 kHz. These initial studies show that, for liquid pressures close to atmospheric pressure, the modes of a granular film can be described as those of a stretched membrane with a tension about twice the surface tension of the liquid-air interfaces