Laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique - UMR 5509

LMFA - UMR 5509
Laboratoire de Mécanique des Fluides et d’Acoustique
Lyon
France


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ANR - SURFBREAK

Role and use of surface-active species in fragmentation of liquid films and layers

Partenaires : LMFA (coordination), Institut Lumière Matière (Lyon), LEGI (Grenoble).

2018-2012

La fragmentation de films ou nappes liquides intervient dans de nombreuses situations industrielles. La rupture de ligaments liquides ou d’un film détermine en grande partie l’efficacité du procédé : pulvérisation de pesticides ou d’agents de revêtement, combustion, cosmétique, industrie alimentaire ou fabrication de matériaux isolants à partir de mousses. Ces écoulements sont intrinsèquement multi-échelles, possèdent une grande quantité d’interfaces et leur formation et déstabilisation impliquent des déformations grandes et rapides. Comme les tensio-actifs modifient profondément les propriétés de l’interface en raison des phénomènes d’élasticité d’interface, de contraintes Marangoni et de viscosité de cisaillement ou de dilatation, on peut s’attendre à ce que leur influence soit considérable. Et pourtant, à l’heure actuelle, le rôle de ces tensio-actifs dans les processus de rupture n’est pas réellement compris. La littérature existante montre que la rhéologie de surface peut s’avérer cruciale dans plusieurs types de phénomènes, qui vont du mouvement ou rupture des bulles et gouttes jusqu’à l’instabilité d’écoulements parallèles, mais ces études reposent en général sur des hypothèses simplificatrices : soit l’élasticité est prise en compte, soit la viscosité de surface, mais pas les deux ; l’écoulement est supposé rampant ; la forme de l’interface est fixée ou sujette à de petites déformations seulement. Il faut s’affranchir de ces restrictions si l’on veut décrire les processus de rupture, dans lesquelles les interfaces subissent de larges modifications de forme et de topologie, et qui mettent en jeu des effets inertiels. C’est l’objectif de ce projet : explorer le rôle des tensio-actifs sur la dynamique d’interface dans le régime des déformations grandes et rapides typiques des processus de rupture. Notre démarche s’appuie à la fois sur des outils de prédiction et des expériences. Nous développerons une méthode de simulation basée sur la technique “level-set” pour décrire les écoulements biphasiques, qui prend pleinement en compte la rhéologie complexe d’interface induite par la présence de tensio-actifs, et pouvant aussi inclure des forces non-hydrodynamiques comme la pression de disjonction. Cette méthode numérique nous permettra de prédire la rhéologie et la coalescence d’une mousse cisaillée, et ses prédictions seront confrontées aux données expérimentales recueillies dans deux situations : des gouttes cisaillées et l’atomisation assistée. Le premier montage utilise une cellule de Taylor/Couette pour sonder le rôle de la rhéologie d’interface sur la déformation et la rupture d’une bulle ou goutte unique. La seconde expérience concerne la formation de gouttes depuis une couche liquide soumise à un flux d’air rapide ; elle montrera comment la présence de tensio-actifs modifie les instabilités à l’oeuvre et la distribution de taille de gouttes qui en résulte. Grâce à la compréhension au niveau fondamental des effets d’inerties et de rhéologie de surface, ce projet ouvre la voie à la mise en place de techniques de contrôle de la fragmentation/rupture de films ou nappes liquides via l’utilisation de tensio-actifs.