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Theses Year : 2015

Dynamical hydrophobicity and hydrophobic dynamics

Hydrophobie dynamique et Dynamiques hydrophobes

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Abstract

This work focuses on situations in which movement and liquid repellency are combined. First, we study dynamic hydrophobicity, a phenomenon created by the horizontal movement of a flat surface, here a rotating plate of bare aluminum. When the surface reaches a critical velocity, approaching droplets cannot penetrate the boundary layer of air that covers the surface, thus protected from wetting. Droplets that are gently deposited on the substrate levitate a few micrometers above the surface, while falling droplets can bounce off, much faster than in other non-wetting situations. If the plate moves fast enough, all liquids can be repelled, creating an omniphobic surface. In a second part, we investigate the dynamics of drops in contact with surfaces textured at a microscopic scale, which makes them water-repellent. We show that viscous drops deposited on a moving superhydrophobic surface are not immediately carried away, but accelerate and start to spin very rapidly. As the substrate velocity increases, the spinning makes the drops loose their spherical shape and turn into bilobes, and sometimes trilobes. We also study the impact of water droplets on superhydrophobic surfaces macrotextured by a straight wire or a marble of same repellency, with a typical size of 100 mm. The bouncing dynamics are dramatically modified in presence of the macrotexture : on a wire drops take-off as 1, 2 or 4 independent sub-units while in presence of a marble they exhibit surprising doughnut shapes. This affects the contact time, which takes discrete values with increasing impact velocity. At high velocity it is divided by a factor of 2 compared to a non-textured surface, which enhances anti-icing properties.
Nous considérons dans cette thèse des situations qui lient mouvement et non-mouillage. L’hydrophobie dynamique est une propriété étonnante engendrée par le simple mouvement d’une surface, ici un plateau d’aluminium en rotation. Dès lors que le solide atteint une vitesse suffisante, les gouttes qui s’en approchent sont repoussées par la couche limite d’air qui couvre le solide, ainsi protégé du mouillage. Les gouttes délicatement posées restent en lévitation à quelques dizaines de micromètres de hauteur, alors que celles qui tombent sur le substrat rebondissent, et beaucoup plus rapidement que dans d’autres situations de non-mouillage. Si la vitesse du plateau est assez élevée, tous les liquides peuvent être chassés, conférant au substrat des propriétés omniphobes. Nous explorons également les dynamiques hydrophobes de gouttes au contact de surfaces rendues non mouillantes grâce à une texturation. Nous montrons que des gouttes visqueuses entrainées par une surface superhydrophobe en mouvement sont mises en rotation ce qui les amène à prendre des formes à deux, et parfois même à trois lobes lorsque la vitesse du substrat augmente. Nous nous sommes aussi intéressés aux caractéristiques du rebond sur des surfaces hydrophobes macrotexturées par un fil ou par une bille dix fois plus petits que les gouttes qui les approchent. L’étalement et la rétraction du liquide en présence des textures suivent des dynamiques inhabituelles : selon la macrotexture (fil ou bille), les gouttes peuvent prendre soit une forme à 1, 2 ou 4 sous-unités, soit une forme de tore lorsqu’elles quittent la surface. Cela joue sur le temps de contact, qui diminue par paliers, pour tomber à des valeurs deux fois inférieures à ce que l’on observe sans macrotexture, ce qui donne à ces surfaces de potentielles propriétés anti-givre.
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tel-01236723 , version 1 (02-12-2015)

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  • HAL Id : tel-01236723 , version 1

Cite

Anaïs Gauthier. Hydrophobie dynamique et Dynamiques hydrophobes. Dynamique des Fluides [physics.flu-dyn]. Ecole Polytechnique, 2015. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01236723⟩
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