Jury :

• Mme Camille Duprat – Professeure, Ecole Polytechnique – rapportrice
• M. Christophe Raufaste – Professeur des Universités, Université Côte d’Azur – rapporteur
• Mme Emmanuelle Rio – Professeure des Universités, Université Paris Saclay – rapportrice
• M. Michael Baudoin – Professeur des Universités, Université de Lille – examiner
• M. Laurent Limat– Directeur de Recherche CNRS, Laboratoire Matières et Systèmes Complexes – examiner
• M. Farzam Zoueshtiagh– Professeur des Universités, Université de Lille – examiner
• M. Stéphane Dorbolo – Maitre de Recherche FNRS, Ptyx (Belgique) – garant

Summary:

Les travaux présentés dans ce mémoire d’HDR sont la synthèse de sept années de recherche centrées sur la compréhension expérimentale de phénomènes impliquant des interfaces libres, des interactions fluide/solide, ainsi que des effets thermiques. Ce manuscrit développe une approche fondée sur des expériences simples mais révélatrices, complétées par des modèles jouets et des approches en loi d’échelle.

Une première partie est consacrée au ressaut hydraulique, thématique initiée pendant ma thèse et poursuivie depuis. Nous y examinons notamment le rôle de la tension de surface dans la formation du ressaut circulaire et nous discutons les limites de certaines théories existantes. Nous mettons également en évidence un régime d’oscillations spontanées pour le ressaut, que nous interprétons comme la signature des modes de cavité de la couche d’eau présente dans la zone externe.

La deuxième partie concerne l’impact de jets sur des surfaces chaudes, sujet où se combinent hydrodynamique et phénomènes de changement de phase. Nous y décrivons les différents régimes observés : croissance d’une goutte qui se détache en Leidenfrost à basse vitesse de jet et régime d’éjection de gouttelettes par fragmentation pour de plus hautes vitesses. Ce dernier régime est étudié en détails et décomposé en zones : zone mouillée, zone de décollement (film de vapeur), puis fragmentation de la nappe liquide. Nous proposons des modèles décrivant chacune de ces zones en utilisant des lois d’échelles. Nous ouvrons enfin ces travaux sur les effets de l’inclinaison du jet, qui conduisent à des comportements différents, comme l’apparition de régimes de rebond.

La troisième partie porte sur les interactions entre bulles et particules. Nous y analysons comment une bulle piégée sous une particule peut générer des forces de rétention ou de répulsion. Nous décrivons également des travaux menés sur des bulles « éternelles », stabilisées par des particules et par l’utilisation d’un mélange eau-glycérol. Des résultats préliminaires concernant les antibulles armurées sont également présentés en fin de manuscrit.

Enfin, la dernière partie présente un ensemble d’études exploratoires sur les films de savon, en particulier la dynamique de lentilles liquides déposées sur ces films, leurs trajectoires orbitantes et certaines instabilités observées. On y trouve une ressemblance visuelle frappante avec des mécanismes de fusion de galaxie. Ce chapitre se termine sur l’ouverture sur une expérience de jet impactant un film de savon.

Abstract:

The work presented in this HDR manuscript is the synthesis of seven years of research focused on the experimental understanding of phenomena involving free interfaces, fluid/solid interactions, and thermal effects. This manuscript develops an approach based on simple yet revealing experiments, complemented by toy models and scaling-law analyses.

The first part is devoted to the hydraulic jump, a topic initiated during my PhD and pursued ever since. In particular, we examine the role of surface tension in the formation of the circular hydraulic jump and discuss the limitations of existing theories. We also highlight a regime of spontaneous oscillations of the jump, which we interpret as the signature of cavity modes of the liquid layer present in the outer region.

The second part concerns the impact of jets on hot surfaces, a subject in which hydrodynamics and phase-change phenomena are coupled. We describe the different regimes observed: the growth of a drop that detaches in a Leidenfrost state, and a droplet-ejection regime resulting from sheet fragmentation. This latter regime is studied in detail and decomposed into zones: a wetted zone, a detachment zone (vapor film), and the fragmentation region of the liquid sheet. We propose models describing each of these zones using scaling laws. We also open the study to the effects of jet inclination, which lead to different behaviors, such as the appearance of rebound regimes.

The third part deals with interactions between bubbles and particles. we analyze how a bubble trapped beneath a particle can generate retention or repulsion forces. We also describe work carried out on “eternal” bubbles, stabilized by particles and by the use of a water–glycerol mixture. Preliminary results concerning armored antibubbles are also presented at the end of this section.

Finally, the last part presents a set of exploratory studies on soap films, particularly the dynamics of liquid lenses deposited on such films, their orbiting trajectories, and certain observed instabilities. A striking visual similarity with galaxy-merging mechanisms emerges from these observations. This chapter concludes with a preliminary exploration of a jet impacting a soap film.