Impact de jets : du ressaut hydraulique oscillant à la formation de spray sur surface chaude

Abstract

L’impact de jets sur diverses surfaces est au coeur de nombreuses problématiques, notamment en terme de refroidissement et de nettoyage de surface. Dans cette thèse, nous nous intéressons à deux aspects de ce sujet pour des jets sub-millimétriques. Dans un premier temps, nous étudions le ressaut hydraulique circulaire observé lorsqu’un jet d’eau vertical impacte une surface horizontale à température ambiante. En particulier, nous rapportons l’observation d’un comportement jusqu’ici jamais décrit dans la littérature sur le ressaut hydraulique circulaire : ce dernier peut se fermer et se réouvrir de manière spontanée et périodique. Nous avons observé que ce comportement n’avait lieu que pour une gamme de débit très faible et très étroite, tandis que la période des oscillations ne dépend pas du tout du débit mais du rayon du disque impacté par le jet. Nous montrons que ces oscillations peuvent être comprises à travers le couplage avec une cavité de résonance formée par la couche d’eau liquide sur la disque, et nous obtenons un excellent accord entre nos prédictions et l’expérience. Enfin, nous utilisons la méthode Schlieren afin de visualiser directement les modes de cavité et nous proposons une explication des oscillations du ressaut.Dans un second temps, nous nous intéressons à l’aspect hydrodynamique de l’impact d’un jet d’eau sur une surface chauffée à plus de 300◦C. Nous observons deux régimes différents en fonction du nombre de Weber We du jet : pour We ≲ 30, une unique goutte se forme sous le jet, grandit puis se détache pour laisser place à une nouvelle goutte, tandis que pour We ≳ 40 une nappe liquide se forme sous le jet et se fragmente en une multitude de gouttelettes éjectées de manière axisymétrique avec un angle bien défini par rapport à l’horizontale. Nous caractérisons expérimentalement le second régime à travers l’angle d’éjection des gouttelettes et le rayon de la zone de contact de la nappe liquide avec la surface chaude, et nous proposons des loi d’échelles permettant de décrire nos résultats ainsi que la transition entre les deux régimes observés. Enfin, nous caractérisons la vitesse et le rayon des gouttelettes éjectées. Nous comparons nos résultats aux travaux sur les nappes de Savart existant dans la littérature, et nous discutons de l’énergie des gouttelettes éjectées, notamment par rapport à l’énergie injectée par le jet.