Flow of drops and liquid films in automobile aerodynamics
Gouttes et films liquides en aérodynamique automobile
Résumé
The aim of this work is to contribute experimentally to the development of a liquid film model in automobile aerodynamics. We present here typical experiments on flow of drops and liquid films relevant to industrial situations. The dynamics of liquid films and drops on a car windscreen under a rainy weather are very important for safety issues. We describe in a first part the flow of a liquid film on an inclined glass substrate. This study leads us to develop an original technique for measuring liquid film thicknesses and waves speeds. We characterize the falling film flow and highlight different wave development regimes. When a counter-current airflow is added, we characterize the critical flooding regime at the transition from a flow driven by gravity to a film entrained by the airflow. This gas-liquid flow configuration is particularly unstable due to wetting conditions and leads in general to drops, meandering rivulets and puddles. We focus in the second part of this study on the dynamics of drops. We show that due to the hysteresis of the contact angle, the drops start to move beyond a certain wind velocity. The drops dynamics is then predicted as a function of three non-dimensional numbers, which take into account viscous, aerodynamics, gravity and capillary forces. We also show that the contra-intuitive recirculation inside the drops is very slow; thus the drag coefficient depends essentially on the shape of the drop. We finally describe the evolution of droplet shape and the interaction between neighboring droplets.
L'objectif de ce travail est de contribuer expérimentalement au développement d'un modèle de film liquide pour l'automobile. Nous présentons ici des expériences modèles d'écoulement de gouttes et films liquides dans des conditions de cisaillement et de gravité rencontrées dans l'industrie. Le ruissellement d'un film d'eau ou de gouttes de pluie sur un pare-brise est un phénomène important dans un contexte de sécurité des véhicules. Nous décrivons dans une première partie une expérience modèle de drainage d'un film liquide sur un plan incliné soumis à un contre-courant d'air. Cette expérience nous a conduit à développer une technique expérimentale permettant de visualiser facilement le profil d'épaisseur des films. Nous avons contribué à la caractérisation de l'écoulement du film par gravité en mettant en évidence différents régimes de développement d'ondes. Le contre-courant d'air s'oppose au drainage par gravité ; nous caractérisons le seuil en vitesse de vent qui permet au film liquide de faire marche arrière par entraînement aéraulique. Un tel film est souvent instable du point de vue du mouillage et se fragmente en gouttes et ruisselets. Nous nous intéressons dans une seconde partie au déplacement de gouttes sous l'effet du vent. Nous observons que ces gouttes ne commencent à se déplacer qu'à partir d'un certain seuil lié à l'hystérésis de l'angle de contact du liquide sur le solide. Au delà de ce seuil, la vitesse de la goutte augmente avec la vitesse du vent. Sa dynamique peut être décrite à partir d'un trio de nombres sans dimension qui tient compte des forces capillaires, visqueuses, aérodynamiques et du poids. Nous avons mis en évidence une recirculation contre-intuitive à l'intérieur de la goutte et l'avons quantifiée. Nous nous sommes enfin intéressés aux variations de la forme de la goutte sous l'effet du vent et aux interactions entre gouttes voisines.
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