Publication scientifique


La roue tourne, la physique des gouttes avance

Des chercheurs des laboratoires LMFA et LPENSL identifient les mécanismes physiques à l'oeuvre dans les comportements d'éclaboussures d'un liquide entraîné par une roue.

Il n’est jamais plaisant de se trouver au niveau d’un gué, ou près d’un caniveau inondé lors du passage d’une voiture. Mais vous êtes-vous déjà penché sur la forme des tâches laissées sur vos habits ? C’est en fait un problème de physique bien plus riche qu’il n’y paraît, et qui se pose dans de nombreuses applications industrielles.
 

Un vieux problème de physique, des applications actuelles

Comment une éclaboussure ou un jet de liquide vont-ils se répandre sur une surface ? Cette question anodine se pose dans des domaines très variés. Peinture, techniques d’impression, agro-alimentaire ou encore semi-conducteurs… Lors de leurs procédés de fabrication, ces applications nécessitent le dépôt de films liquides - par exemple de l’encre - sur une surface - du papier. Or, cette dynamique de dépôt, ou « l’éclaboussure » de liquide projetée par un objet en mouvement, se doit d’être très précise. Pourtant, celle-ci reste aujourd'hui mal comprise lorsque le dépôt se fait très vite.

Ce problème présent dans des procédés modernes n’est pourtant pas récent. Dès les années 30, les physiciens Landau et Levich se penchent sur une question similaire lorsqu’ils étudient l’étamage – technique qui consiste à appliquer une couche d’étain sur une pièce métallique.

Un élément important à prendre en compte est la vitesse d‘entrainement. Par exemple la vitesse de rotation d’une roue qui entraîne le liquide. Plus celle-ci est élevée et plus le liquide est projeté facilement. Mais en augmentant la vitesse, plusieurs phénomènes émergent et se conjuguent, rendant l’application d’une couche liquide difficile à prédire. C’est en partie pour cette raison que ces régimes à haute vitesse sont restés peu étudiés pendant des années.

C’est justement à ces régimes que des chercheurs du Laboratoire de mécanique des fluides et d’acoustique (LMFA - Ecole centrale Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1/CNRS/INSA Lyon) (1) et du Laboratoire de physique de l’ENS de Lyon (LPENSL - ENS Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1/CNRS) (2) se sont intéressés dans leur nouvelle étude publiée dans la revue Journal of Fluid Mechanics.
 

La roue tourne, la recherche avance

Pour explorer ces aspects physiques, les chercheurs se sont appuyés sur un dispositif expérimental monté par le LMFA et installé sur le campus LyonTech-la Doua. Ils ont ainsi observé différents comportements « d’éclaboussures » de l’eau entraînée par une roue, en fonction de sa vitesse de rotation.

© Joseph J. S. Jerôme
© Joseph J. S. Jerôme

Au-delà d’une certaine vitesse, le comportement du liquide dans cette situation est dominé par son inertie. C’est cette tendance d’un objet à conserver sa vitesse qui explique par exemple que nous continuons d’avancer dans l’eau après une brasse, alors que notre corps est immobile.

Dans ce régime dit « intertiel », le liquide emporté par la roue crée des nappes et des films qui se brisent en gouttelettes et en éclaboussures. Ces aspects physiques font apparaître des effets dits «  non-linéaires », « tridimensionnels » et « diphasiques » très difficiles à traiter dans des simulations ou des théories.

Grâce à leur étude systématique de plusieurs régimes de vitesse et pour plusieurs liquides de viscosités différentes, les chercheurs ont mis en évidence des lois d’échelles. Des lois physiques qui donnent accès aux principes essentiels régissant les mécanismes de ce problème.

Ces travaux constituent la première pierre vers une meilleure investigation de ces régimes complexes, dont les résultats alimenteront de nouvelles simulations et théories. Ils ouvrent ainsi la voie vers une amélioration des procédés industriels utilisant le dépôt ou la projection de liquides.


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Référence

John Soundar Jerome, J., Thevenin, S., Bourgoin, M., & Matas, J. (2021). Inertial drag-out problem: Sheets and films on a rotating discJournal of Fluid Mechanics, 908, A7. doi:10.1017/jfm.2020.879
 


(1) Laboratoire de mécanique des fluides et d’acoustique (LMFA - Ecole centrale Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1/CNRS/INSA Lyon). Voir le site Web
(2) Laboratoire de physique de l’ENS de Lyon (LPENSL - ENS Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1/CNRS). Voir le site Web

Crédits images et vidéos - Joseph J. S. Jerôme
Publié le 3 décembre 2020 Mis à jour le 4 décembre 2020