Mobile interfaces: non-wetting drop friction and front dynamics
Interfaces mobiles : friction en mouillage nul et dynamiques de fronts
Résumé
Through several experiments, we investigate situations for which interfaces play a major role on the dynamics of either drops or liquid fronts. First, we study several non wetting drops: Leidenfrost drops, drops on a superhydrophobic surfaces and liquid marbles. When a drop is on a substrate hotter than the boiling point, a vapor layer prevents contact by isolating the drop from the solid. On a superhydrophobic surface, which is a rough and hydrophobic surface, the bottom surface of the drop touches only a fraction of the solid, and thus is mostly in contact with air. Finally, when one deposits a drop on hydrophobic grains, the interface captures the grains and they isolate completely the drop from its substrate. In all these situations, we study the friction of these drops when they run down inclines. This friction is lower than the one usually observed for partial wetting, and of different physical nature. The second part of this work focuses on different studies of mobile fronts. When we pour a liquid on a grains pile, it can either soak it or stay at its surface. The transition between these situations occurs for a critical contact angle. When we deposit a drop on hydrophobic grains, it produces an erosion of the pile: the amount of grains taken away by the drop is discussed. Besides, dripping water on a surface colder than the freezing point lead to the growth of an ice stalagmite. Finally, the confinement of a Leidenfrost drop between two parallel plates causes a succession of instabilities: it first takes a ring shape, which then expands before breaking up into droplets.
Cette thèse discute différentes situations dans lesquelles les interfaces jouent un rôle prépondérant dans la dynamique de gouttes et de fronts liquides. Dans une première partie, nous nous intéressons à des gouttes très mobiles, dans trois situations de mouillage nul. (i) Lorsqu'on dépose un liquide sur une surface portée à une température très supérieure à sa température d'ébullition, un film de vapeur s'intercale entre le liquide et le substrat, empêchant tout contact. (ii) Sur un substrat superhydrophobe, c'est-à-dire un substrat rugueux et hydrophobe, la surface inférieure d'une goutte n'est en contact qu'avec une fraction réduite de solide. (iii) Enfin, lorsqu'on met en contact une goutte avec des grains hydrophobes, elle les capture à sa surface, ce qui l'isole de son substrat. Dans chacun de ces trois cas, nous étudions la friction résiduelle qui se manifeste lorsque ces gouttes dévalent. Nous montrons que le frottement est bien plus faible que celui observé habituellement en mouillage partiel et qu'il a une origine physique différente. Dans une seconde partie, nous étudions des fronts mobiles variés. Lorsqu'un liquide est mis en contact avec des grains, il peut soit l'imprégner si son angle de contact est inférieur à un angle de contact critique, soit rester en surface dans le cas contraire. Dans ce dernier cas, le dévalement d'une goutte entraîne l'érosion du tas de grains : nous nous intéressons à la quantité de grains emportée par la goutte. Par ailleurs, un goutte-à-goutte tombant sur une surface refroidie sous la température de solidification provoque la croissance d'une stalagmite de glace. Enfin, lorsqu'on confine une goutte en caléfaction entre deux plaques parallèles, une série d'instabilités se développe : un anneau se forme, qui grandit ensuite avant de se briser en gouttelettes.
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