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Couplage interfacial entre hydrodynamique et transports de surfactants: défi expérimental et numérique. – HydroSurfDyn

Ecoulements Marangoni

En présence d’un écoulement, les tensioactifs génèrent des contraintes interfaciales de type Marangoni qui sont souvent dominantes, parce qu’elles constituent les conditions aux limites pour les écoulements. Au-delà de l'intérêt fondamental, une meilleure compréhension de ces phénomènes est nécessaire pour l'optimisation de nombreux procédés, de la microfluidique à la récupération assistée du pétrole à l’aide de mousses liquides et à l’agro-alimentaire.

Un couplage complexe

Les deux phénomènes en question (hydrodynamique et transport des surfactants) sont largement étudiés, mais les problèmes faisant intervenir leur couplage sont encore souvent mal compris. Les conditions aux limites de l'écoulement ne sont pas connues a priori, elles sont issues d'un véritable couplage entre l'écoulement et le transport des tensioactifs : c’est la principale difficulté du sujet. <br />Nous avons identifié plusieurs verrous expérimentaux, conceptuels et numériques qui limitent notre compréhension des phénomènes en jeu, et que nous avons contribué à lever. Leur point commun, c’est la nécessité de faire le lien entre les échelles microscopiques des mécanismes de transport des molécules, et les échelles macroscopiques des écoulements.

L'idée directrice de notre travail est de considérer conjointement les différentes échelles du couplage, et de s'intéresser explicitement à la dynamique des surfactants et à son effet sur les écoulements, que ce soit d'un point de vue théorique, numérique ou expérimental.
Numériquement, nous avons mis au point une simulation d'écoulements dans laquelle le transport des surfactants, leur adsorption aux interfaces et leur effet sur la tension de surface locale sont explicitement pris en compte. Théoriquement, nous avons revisité les approximations pertinentes pour décrire le rôle des surfactants dans la dynamique de films minces. Enfin, expérimentalement nous avons mis au point une technique novatrice permettant de mesurer, dans une même expérience, la dynamique globale des écoulements, les vitesses interfaciales et les variations d'épaisseur de films liquides minces.

Nous avons contribué à la compréhension de la dynamique d'extension d'un film liquide mince stabilisé par des surfactants, ce qui a un impact direct sur la dynamique de déformation des bulles au sein d'un mousse liquide. Nous avons identifié l'origine locale d'un comportement résonnant d'un film de savon soumis à une onde acoustique. Nous avons également mis en évidence la dynamique fine du drainage gravitaire d'un film, ce qui impacte directement son temps de vie.

Le projet dout être interrompu en nov 2015 suite à l'embauche du PI dans l'industrie

3 articles publié
2 rapports de master 2
1 preprint
6 conferences

Numerous industrial and everyday life processes rely on surfactants, whose first role is to decrease surface tension. However this equilibrium characteristic is often of secondary relevance in the out of equilibrium situations in which they are most often used. Instead, these dynamical situations are governed by the coupling between hydrodynamics and surfactant transport within the fluid, and to the interface.
Indeed, the rate at which surface-active species replenish interfaces controls the generation of surface tension stresses, which provide the boundary conditions for the underlying flow. The complexity of this coupling arises from the fact that this rate is not an intrinsic property of the molecules, but depends instead on the entire set of transport phenomena (diffusion, convection, adsorption), and is thus highly dependent on the details of the hydrodynamics and the geometry of the flow. It is the reason why most situations featuring hydrodynamics and surfactants are still not fully understood.
The knowledge of the local surface stresses would be of great importance to determine the relevant physical processes and pose the correct assumptions, yet existing experimental techniques are not able to measure these local quantities. Thus, the first (experimental) part of the present projects is to develop a novel set of techniques to measure the local interfacial velocity and surfactant concentration.
In addition, the conceptual complexity of this coupling, and the resulting challenges posed by the interpretation of experimental data prompted us to develop numerical simulation algorithms and the associated theory to accurately model the hydrodynamics in the presence of interfaces and surfactants, which we intend to release to the scientific community under an open-source licence.
These experimental and theoretical advances will be used to revisit a series of simple, well posed and poorly understood experimental configurations exhibiting in an exemplary manner the aforementioned coupling between hydrodynamics and surfactant transport. We will in particular strive to explicit and predict quantitatively the relation between surfactants dynamical properties and the observed interfacial rheologies.

Coordinateur du projet

Monsieur Jacopo SEIWERT (Institut de physique de Rennes)

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.

Partenaire

IPR Institut de physique de Rennes

Aide de l'ANR 369 795 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2013 - 42 Mois

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