Impact de gouttes à haute vitesse sur des surfaces liquides : perspectives numériques et applications à des configurations de marée noire

Abstract

L'impact d'une goutte d’eau sur une piscine d’eau profonde produit une vaste gamme de phénomènes physiques, constituant un domaine d'étude complexe avec des applications à la fois dans les domaines industriels et de l’environnement. De nombreux aspects clés du processus demeurent peu explorés, en particulier les mécanismes physiques mis en jeu dans les conditions d'impact les plus énergétiques. À une vitesse d'impact élevée, une couronne liquide à paroi mince se forme rapidement au-dessus de la surface libre, avant de se refermer en emprisonnant de l'air. De tels cas, caractérisés par des échelles de temps plus courtes et une complexité accrue des aérosols liquides engendrés par l’impact, posent d'énormes défis tant pour les approches expérimentales que numériques, et ont reçu peu d'attention jusqu’à présent. Dans cette thèse, nous utilisons une méthode de simulation numérique directe (DNS) pour analyser les dynamiques complexes observées lors de l'impact d'une goutte, en mettant l'accent sur les régimes d'impact à haute vitesse. Par des calculs axisymétriques, les comportements obtenus sont tout d’abord explorés sur une large gamme de nombre de Weber et de Reynolds, notamment à travers une analyse des premiers instants après l’impact. Une analyse approfondie des détails des mécanismes de formation et de fermeture de la couronne, ainsi que des aérosols engendrés, est ensuite réalisée grâce à une simulation 3D haute résolution. Nous étendons également notre étude au cas d'une couche d'huile flottante à la surface de la piscine, simulant des conditions de marée noire. Plusieurs épaisseurs d’huile et l’influence de l’ajout de dispersants sur les phénomènes mentionnés précédemment sont explorés. L’objectif de ces travaux est d’apporter de nouvelles perspectives sur la dynamique des impacts à haute vitesse de gouttes d’eau, et notamment de discuter les effets de la tension de surface sur cette dynamique.