Impacts de jet : du ressaut hydraulique oscillant à la formation de spray sur surface chaude

Impact of jets : from oscillatory hydraulic spring to spray formation on hot surface

• Auteur / Autrice : Aurélien Goerlinger
• Direction : Farzam Zoueshtiagh, Alexis Duchesne, Michaël Baudoin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance le 03/10/2024
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École graduée Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Jury : Président / Présidente : Laurent Limat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ambre Bouillant, Stéphane Dorbolo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne-Laure Biance, Médéric Argentina

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de chaleur

Tension superficielle

Atomisation

Hydraulique à surface libre

Hydrodynamique

Ressaut hydraulique

Jets

Mots clés libres

Ressaut hydraulique circulaire

Transfert thermique

Ecoulement à surface libre

Nappe de Savart

Modes de cavité

Nombre de Weber

Cavités résonantes (hydraulique)

Circular hydraulic jump

Thermal transfer

Free surface Flow

Savart sheet

Cavity modes

Résumé

L'impact des jets sur diverses surfaces est au cœur de nombreuses problématiques, notamment en termes de refroidissement et de nettoyage de surface. Cette thèse se penche sur deux aspects différents de ce sujet pour des jets sub-millimétriques, peu étudiés dans la littérature.Dans un premier temps, nous explorons le ressaut hydraulique circulaire observé lorsqu'un jet d'eau vertical frappe une surface horizontale à température ambiante. Nous rapportons l'observation d'un comportement oscillant inédit dans la littérature sur le ressaut hydraulique circulaire : celui-ci peut se fermer et se rouvrir spontanément et périodiquement. Ce phénomène se manifeste uniquement dans une gamme de débits très faible et étroite. Contre-intuitivement, la période des oscillations ne dépend pas du débit, mais du rayon du disque impacté par le jet. Nous démontrons que ces oscillations résultent du couplage avec une cavité de résonance formée par la couche d'eau liquide sur le disque, obtenant une correspondance remarquable entre nos prédictions théoriques et les résultats expérimentaux.Dans un second temps, nous nous intéressons à l'hydrodynamique de l'impact d'un jet d'eau sur une surface chauffée à plus de 300°C. Nous avons identifié deux régimes distincts qui sont fonction du rapport entre l'inertie du fluide et les effets de tension de surface, exprimé en termes du nombre de Weber (We) du jet : pour We ≲ 30, une unique goutte se forme sous le jet, croît puis se détache, tandis que pour We ≳ 40, une nappe liquide se forme et se fragmente en une multitude de gouttelettes éjectées isotropiquement avec un angle défini par rapport à l'horizontale. Nous caractérisons ce second régime en mesurant l'angle d'éjection des gouttelettes et le rayon de la zone de contact de la nappe liquide avec la surface chaude. Nous proposons des lois d'échelle pour décrire nos résultats expérimentaux ainsi que la transition entre les deux régimes observés. Enfin, nous mesurons l'énergie nécessaire pour l'atomisation et l'éjection des gouttelettes et comparons nos résultats aux études d'atomisation des nappes de Savart présentes dans la littérature.

The impact of jets on various surfaces is at the heart of many problems, particularly in terms of cooling and surface cleaning. This thesis focuses on two different aspects of this subject for sub-millimeter jets, little studied in the literature.First, we explore the circular hydraulic jump observed when a vertical water jet strikes a horizontal surface at room temperature. We report on the observation of an oscillatory behavior that is new in the literature on the circular hydraulic spring: it can close and reopen spontaneously and periodically. This phenomenon only occurs in a very small and narrow flow range. Counter-intuitively, the period of oscillation does not depend on the flow rate, but on the radius of the disc impacted by the jet. We demonstrate that these oscillations result from coupling with a resonance cavity formed by the layer of liquid water on the disc, achieving a remarkable correspondence between our theoretical predictions and experimental results.In a second step, we look at the hydrodynamics of a water jet impacting a surface heated to over 300°C. We have identified two distinct regimes that are a function of the ratio between fluid inertia and surface tension effects, expressed in terms of the Weber number (We) of the jet: for We ≲ 30, a single drop forms beneath the jet, grows and then detaches, while for We ≳ 40, a liquid sheet forms and fragments into a multitude of droplets ejected isotropically at a defined angle to the horizontal. We characterize this second regime by measuring the droplet ejection angle and the radius of the liquid sheet's contact zone with the hot surface. We propose scaling laws to describe our experimental results and the transition between the two observed regimes. Finally, we measure the energy required for droplet atomization and ejection, and compare our results with the literature on Savart sheet atomization.