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Blanc - SIMI 4 - Physique (Blanc SIMI 4)
Edition 2011


FREEFLOW


Liquides (presque) sans parois - Hydrodynamique (presque) sans contact.

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Liquides (presque) sans parois - Hydrodynamique (presque sans contact).

Un nouveau territoire: l'hydrodynamique «suspendue«.
Le comportement d'un liquide sur un solide est principalement dicté par la condition de Navier, éventuellement modifiée à petite échelle par un glissement, très étudié récemment par différentes équipes. Il en résulte que des gouttes ont tendance à s'accrocher à un substrat où ne s'y déplacent qu'à des vitesses très modestes. La résistance de la ligne de contact en est la principale responsable, et celle ci a reçu ces trente dernières années une attention soutenue. Ici, nous nous sommes proposés de regarder une limite très différente, où le contact liquide/solide est presque supprimé. Classiquement, on peut réaliser cette condition de non-contact par des effets thermiques sur une surface très chaude (effet Leidenfrost). Un premier aspect du projet a été également d'étudier de nouvelles méthodes permettant d'y parvenir par vibration ou mise en mouvement du substrat, éventuellement liquide, injection d'air à travers lui, ou en utilisant des propriétés de surface inhabituelles (super-hydrophobie). Une fois ces conditions de «non contact' ou «non mouillage« réalisées, la dynamique de gouttes (ou de volumes liquides plus importants) a été explorée par des expériences complémentaires s'attaquant aux questions suivantes: qu'est ce qui gouverne la friction résiduelle, quel est le volume maximal que l'on peut faire léviter, comment peut on contrôler et manipuler des gouttes dans ces situations, en vue d'éventuelles applications? Nous nous sommes également intéressés aux comportements non-linéaires remarquables que présentent les ondes de surface dans ces situations très inhabituelles. La modélisation au sens de l'hydrodynamique physique a été très développée, avec même une exploration numérique lorsque cela était nécessaire.

Sept expériences clef.
Nous avons imaginé et développé sept expériences principales autour de la dynamique de liquides se déplaçant ou s'écoulant sans contact: liquides sur des substrats chauds (effet Leidenfrost), sur des surfaces superhydrophobes, sur des surfaces liquides vibrées, ou sur des liquides en écoulement....
1) «Magnet«: guider ou piéger des gouttes paramagnétiques sous effet Leidenfrost par application d'un champ magnétique.
2) «Toroid«: explorer le comportement et la stabilité de tores liquides en situation de Leidenfrost.
3) «Friction«: explorer et comprendre les mécanismes de dissipation résiduelle sur des substrats texturés et/ou superhydrophobes en suivant des gouttes dévalantes ou des impacts.
4) «Bouncing«: explorer les comportements complexes de gouttes rebondissant de façon permanente sur des liquides vibrés, et interagissant avec les ondes de surface émises à chacun des chocs, et explorer les analogies avec la Mécanique quantique.
5) «Rolling«: Effectuer un travail similaire sur le cas de gouttes «roulant« à la surface d'un liquide en écoulement (ou d'un solide hydrophobe en mouvement), en partant du cas spectaculaire d'une goutte piégée dans un ressaut hydraulique circulaire.
6) «Impacts«: Etudier l'impact de gouttes sur des substrats «répulsifs«, en utilisant soit la caléfaction, soit des substrats superhydrophobes, et explorer aussi la dynamique des impacts en variant la distribution éventuelle de défauts sur la surface solide.
7) «Cushion«: Reprendre à plus long terme les tâches 1,2,3 et 6, en utilisant un nouveau type de substrat répulsif formé d'un poreux ou d'une grille à travers lequel on souffle de l'air.

Résultats

A l'issue des premiers 18 mois du projet, on peut identifier plusieurs résultats marquants:
- Anneau facetté: Mise en évidence d'une instabilité de facettage d'un anneau liquide en lévitation sur un susbtrat chaud, similaire à celle des ressauts circulaires, les deux expériences pouvant être interprétées dans le même cadre théorique [Perrard 2012].
- Contrôle magnétique de gouttes en lévitation: Mise au point de méthodes de guidage par champ magnétique de gouttes en mouvement rapide sur des surfaces solides [Piroird 2012].
- Gouttes rebondissantes sur bain vibré: Mise en évidence d'un équivalent de l'effet Zeeman avec quantification du moment cinétique [Eddi 2012], et très prochainement, d'un équivalent de l'atome d'hydrogène, avec ses règles de quantification [Perrard et Labousse thèses en cours].
- Goutte roulante: mise en évidence et interprétation d'une instabilité gyroscopique conduisant au mouvement orbital de gouttes en lévitation dans un ressaut circulaire [Duchesne 2012], ce mouvement orbital pouvant évoluer vers le chaos par des inversions successives du sens du mouvement.
- Les sept expériences ont donné lieu à un nombre élevé de publications dans des revues internationales à comité de lecture (11) et de communications dans des colloques (22). Parmi ces travaux, signalons une revue sur l'effet Leidenfrost publiée par David Quéré, à l'Annual Review of Fluid Mechanics [Quéré 2013]. Signalons aussi le Prix Européen de Mécanique des Fluides (EUROMECH Prize, 2012), obtenu par Yves Couder et son equipe du fait de leurs travaux sur la dualité macroscopique entre une goutte rebondissant sur un liquide vibré et le train d'ondes qui l'accompagne, ainsi que son interprétation par une «mémoire de chemin«, également également retrouvée par des simulations numériques.

Perspectives

L'équipe d'Yves Couder (MSC) explore actuellement un équivalent macroscopique de l'atome d'hydrogène utilisant des gouttes magnétiques dans un puits localisé. Elle a pu mettre en évidence de véritable orbitales, qui structurent le comportement observé avec quantification de l'énergie et du moment cinétique. L'équipe Lebon-Limat (MSC) s'est concentrée sur la compréhension des propriétés du ressaut, laquelle est nécessaire à la cellede la dynamique des gouttes orbitantes. Elle a démontré l'existence inattendue d'un nombre de Froude critique forcé en sortie du ressaut, qui conduit à compléter le scaling gouvernant la sélection du rayon du ressaut (Bohr et al) par un terme logarithmique. D'autres situations de non-mouillage sont aussi explorées par les deux équipes (propagation de solitons sur un tube liquide lévitant, formation de nappes facettées par impact sur une cible, etc.). L'équipe du PMMH et celle du LPMCN explorent en ce moment le cas de gouttes lévitant sur un substrat solide (disque tournant) en mouvement rapide, tandis que le groupe du LADHYX développe une méthode fine de caractérisation des mouvements internes de ces gouttes (fluorescence et PIV), tout en s'intéressant à la stabilité de tubes liquides à grande section (aplatie par la gravité) en lévitation.

Productions scientifiques et brevets

En se limitant aux articles dans des revues internationales:
1. Keyvan Piroird, Christophe Clanet & David Quéré, «Magnetic control of Leidenfrost drops.«, Phys. Rev. E 85, 056311 (2012)
2. Baptiste Darbois Texier, Keyvan Piroird, David Quéré & Christophe Clanet «Inertial collapse of liquid rings«, Journal of Fluid Mechanics, 717 R3 (2013)
3. Keyvan Piroird, Baptiste Darbois-Texier, Christophe Clanet & David Quéré «Reshaping and capturing Leidenfrost drops with a magnet«, Physics of Fluids, 25 032108 (2013)
4. Multiple rotations of a drop rolling inside a horizontal circular hydraulic jump, Duchesne A., Savaro C., Lebon L., Pirat C., Limat L. Europhysics Letters 102 (2013) 64001
5. David Quéré «Leidenfrost Dynamics«, Annual Review of Fluid Mechanics, 45, 197 (2013)
6. Tobias Baier, Guillaume Dupeux, Stefan Herbert, Steffen Hardt & David Quéré «Propulsion mechanisms for Leidenfrost solids on ratchets«, Phys. Rev. E 87, 021001 (2013).
7. Leidenfrost levitated liquid tori, Perrard S., Couder Y., Fort E., and Limat L., EPL (Europhysics Letters), 100 (2012), 54006, doi:10.1209/0295-5075/100/54006
8. A. Eddi, J. Moukhtar, S. Perrard, E. Fort, and Y. Couder, « Level Splitting at Macroscopic Scale«, Phys. Rev. Lett. 108, 264503 (2012)
9. Daniel M Harris, Julien Moukhtar, Emmanuel Fort, Yves Couder, John WM Bush, « Wavelike statistics from pilot-wave dynamics in a circular corral«, Physical Review E, 88, 011001 (2013)
10. E. Fort and Y. Couder, « Trajectory eigenmodes of an orbiting wave source«, EPL (Europhysics Letters), 102 16005 (2013 ) doi:10.1209/0295-5075/102/16005
11. Y. Couder and E. Fort, «Probabilities and trajectories in a classical wave-particle duality«, Journal of Physics 361, 012001 (2012)

Partenaires

Laboratoire public

LADHYX CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE ILE-DE-FRANCE SECTEUR OUEST ET NORD

LPMCN - UCBL UNIVERSITE CLAUDE BERNARD - LYON I

MSC UNIVERSITE DE PARIS 7

Divers public

Aide de l'ANR 636 200 euros
Début et durée du projet scientifique octobre 2011 - 36 mois

Résumé de soumission

Le comportement d'un liquide sur un solide est principalement dicté par la condition de Navier, éventuellement modifiée à petite échelle par un glissement très étudié récemment par différentes équipes. Il en résulte que des gouttes ont tendance à s'accrocher à un substrat où ne s"y déplacent qu'à des vitesses très modestes. La résistance de la ligne de contact en est la principale responsable, et celle ci a reçu ces trente dernières années une attention soutenue. Ici, nous nous proposons de regarder une limite très différente, où le contact liquide/solide est presque supprimé. Classiquement, on peut réaliser cette condition de non-contact par des effets thermiques sur une surface très chaude (effet Leidenfrost). Un premier aspect du projet sera également d'étudier de nouvelles méthodes permettant d'y parvenir par vibration ou mise en mouvement du substrat, éventuellement liquide, injection d'air à travers lui, ou en utilisant des propriétés de surface inhabituelles (super-hydrophobie). Une fois ces conditions de "non contact" ou "non mouillage" réalisées, la dynamique de gouttes (ou de volumes liquides plus importants) sera explorée par des expériences complémentaires s'attaquant aux questions suivantes: qu'est ce qui gouverne la friction résiduelle, quel est le volume maximal que l'on peut faire léviter, comment peut on contrôler et manipuler des gouttes dans ces situations, en vue d'éventuelles applications? On s'intéressera également aux comportements non-linéaires remarquables que présentent les ondes de surface dans ces situations très inhabituelles. La modélisation au sens de l'hydrodynamique physique sera également développée, et le numérique lorsque cela sera nécessaire.

 

Programme ANR : Blanc - SIMI 4 - Physique (Blanc SIMI 4) 2011

Référence projet : ANR-11-BS04-0001

Coordinateur du projet :
Monsieur Laurent Limat (UNIVERSITE DE PARIS 7)
ldlimat@nullgmail.com

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.