Soutenance de thèse de ROTILY Lucas
Titre de thèse
the persistance of evaporating dense sprays
persistance des sprays denses s'évaporant
Résumé de la thèse
Cette recherche se concentre sur le temps nécessaire à l'évaporation d'un spray dense impulsif, constitué de gouttes de différentes tailles rapidement injectées dans un air au repos. L'évaporation d'une goutte isolée est gouvernée par la différence de concentration de vapeur entre sa surface et l'air ambiant, suivant la loi du $d^2$, qui prend en compte la diffusion de la vapeur, l'humidité relative, et la température. Cette loi prédit que le temps de vie d'une goutte dépend de la saturation en vapeur de l'environnement de la goutte. Les sprays denses se caractérisent par une distance inter-gouttes plus petite que la distance critique $ell_e$, une grandeur définit par le volume occupé par la vapeur d'un liquide. La dynamique de ces sprays est étudiée en deux phases : d'abord la phase de jet, où les gouttes sont continuellement éjectées avec une vitesse moyenne $u(t)$ et la phase de puff, où la quantité de mouvement se conserve malgré une diminution de la vitesse et une augmentation de la largeur du spray $l(t)$. Les expériences, utilisant l'éclairage laser et une lentille de Powell, permettent de mesurer la répartition spatiale des gouttes. Une tessellation de Voronoi révèle que les gouttes se concentrent en clusters, influencés par l'écoulement turbulent et la saturation locale en vapeur, et montre que l'évaporation des gouttes est retardée dans les zones saturées en vapeur. La dispersion du spray, définie comme le produit de la vitesse et de la largeur du spray, $D(t)=u(t)l(t)$, explique la sédimentation exponentielle des particules et modélise la non-conservation de la concentration des gouttelettes en aval du spray due à l'évaporation. En incorporant une distribution des temps de mélange, nous avons identifié un facteur pour tenir compte des effets de l'évaporation, quantifiant l'impact des propriétés du fluide sur la durée de vie de la pulvérisation. Ce modèle suggère que, comme pour le mélange scalaire, le temps d'évaporation du spray dépend faiblement des propriétés du fluide et principalement de l'étirement du spray. L'étude de lamelles isolées, où le taux d'étirement est contrôlé, permet de modéliser le temps de vie d'un spray en prenant en compte à la fois l'étirement et la diffusion. Pour valider ces modèles, des expériences hydrodynamiques similaires utilisant de la fluorescéine dans de l'eau sont conduites. Les techniques expérimentales incluent la vélocimétrie par images de particules (PIV) et l'imagerie interférométrique de particules (IPI), cette dernière confirmant que les gouttes au sein de zones saturées en vapeur s'évaporent uniquement lorsqu'elles sortent de ces zones. Enfin, les méthodes développées sont appliquées à l'étude des éternuements, des sprays impulsifs, permettant de comprendre la dynamique et l'évaporation des gouttelettes dans ce contexte naturel et pertinent. Un chapitre est également dévoué à l'étude des gouttelettes produites par l'explosion de bulles par un nouveau mécanisme découvert au cours de ces travaux.
Thesis resume
This research focuses on the time required for the evaporation of a dense impulsive spray composed of drops of different sizes rapidly injected into stationary air. The evaporation of an isolated droplet is governed by the difference in vapor concentration between its surface and the ambient air according to the $d^2$ law, which takes into account vapor diffusion, relative humidity, and temperature. This law predicts that the lifetime of a droplet depends on the vapor saturation of its environment. Dense sprays are characterized by an interdroplet distance smaller than the critical distance $ell_e$, a length defined by the volume occupied by the vapor of a liquid. The dynamics of these sprays is studied in two phases: first, the jet phase, where drops are continuously ejected with an average velocity $u(t)$, and the puff phase, where the momentum is conserved despite a decrease in velocity and an increase in spray width $l(t)$. Experiments with laser illumination and a Powell lens allow us to measure the spatial distribution of the droplets. A Voronoi tessellation shows that drops are concentrated in clusters, influenced by turbulent flow and local vapor saturation, and that drop evaporation is delayed in vapor saturated regions. Spray dispersion, defined as the product of spray velocity and spray width, $D(t)=u(t)l(t)$, explains exponential particle sedimentation and models the non-conservation of droplet concentration downstream of the spray due to evaporation. By incorporating a distribution of mixing times, we have identified a factor that accounts for the effects of evaporation and quantifies the effect of fluid properties on spray lifetime. This model suggests that, as with scalar mixing, spray evaporation time is weakly dependent on fluid properties and mainly dependent on spray elongation. The study of isolated lamellae, where the stretching rate is controlled, allows the spray lifetime to be modeled by considering both stretching and diffusion. To validate these models, similar hydrodynamic experiments are performed with fluorescein in water. Experimental techniques include particle image velocimetry (PIV) and interferometric particle imaging (IPI), the latter confirming that droplets within vapor-saturated zones evaporate only when they leave these zones. Finally, the developed methods are applied to the study of sneezing and impulsive sprays, allowing us to understand droplet dynamics and evaporation in this natural and relevant context. A chapter is also devoted to the study of droplets produced by the explosion of bubbles, through a new mechanism discovered in the course of this work.