Hole Dynamics in Films

Dynamique des trous dans les films L'éclatement du film océanique est un phénomène où un film liquide mince, représentant le chapeau de la bulle, éclate à la surface de l'océan, produisant des gouttelettes de film. Ce phénomène est crucial dans les échanges océan-atmosphère, en particulier dans le transfert de chaleur, de masse et de quantité de mouvement entre l'océan et l'atmosphère. L'éclatement du film implique une série de dynamiques complexes, telles que le drainage, la perforation, la rétraction du film et la désintégration en gouttelettes. La cicatrisation des trous (c’est-à-dire lorsqu’un trou est trop petit et se referme après sa nucléation) est un paramètre essentiel pouvant influencer la dynamique de l'éclatement du film, en particulier l'épaisseur du film lors de l'éclatement et, par conséquent, le budget liquide pour la production de gouttelettes de film. Cette étude approfondit la dynamique des trous dans les films liquides libres, avec des simulations numériques et des approches analytiques. Utilisant Basilisk, un solveur de flux à deux phases basé sur la méthode Volume-of-Fluid (VoF) et écrit en C, nous avons analysé finement le mécanisme de cicatrisation. Des simulations dichotomiques à maillage adaptatif haute résolution ont permis de déterminer le seuil de cicatrisation. Les approches analytiques ont été utilisées pour développer des hypothèses afin de prédire le seuil de cicatrisation d'un trou sur un film, qui ont été testées contre les résultats numériques. La dynamique critique du trou a été examinée, et des lois de puissance distinctes ont été identifiées pour la courbure de pointe afin d'illustrer le mécanisme moteur. Les variations du seuil de cicatrisation du trou avec d'autres paramètres du problème ont été examinées. Cette étude a d'abord été menée pour un film plat, découvrant que le seuil de cicatrisation est augmenté en augmentant le nombre de Laplace du film. Cet effet était prononcé pour des valeurs allant de 1 à 10000, coïncidant avec la gamme habituelle des nombres de Laplace de film observés pour les bulles éclatantes océaniques. Les effets observés ont également été élaborés, avec des explications physiques. Étant donné que la forme initiale exacte du trou s'est révélée influencer le seuil de cicatrisation, un examen a été effectué pour étudier cet effet sur la cohérence des résultats du changement du nombre de Laplace du film, pris comme exemple pour les autres. Il a été démontré que malgré les variations du seuil pour différentes formes, l'effet du changement du nombre de Laplace du film était indépendant de la forme du trou. Par conséquent, les résultats de la dichotomie se sont avérés indépendants du choix arbitraire de la forme du trou tout au long de l'étude. Une étude similaire a été menée pour un trou dans un chapeau de bulle après une étude détaillée de la dynamique de la bulle et de l'écoulement du gaz. Il a été découvert que l'écoulement de gaz subit un effet Venturi, où un écoulement plus fort, résultant de tailles de bulles plus petites ou de nombres de Laplace de gaz plus élevés, a été montré pour augmenter le seuil de cicatrisation. Une hypothèse a été développée pour prédire l'effet Venturi sur le seuil de cicatrisation, aboutissant à un terme de correction de Venturi qui prédit une dépendance de loi de puissance sur le diamètre de la bulle, ce qui correspondait aux résultats numériques. L'effet Venturi était significatif pour des valeurs élevées du nombre de Laplace du gaz, où le seuil de cicatrisation était doublé en augmentant la courbure moyenne du film d'un film plat à un chapeau de bulle avec une taille 20 fois l'épaisseur du chapeau de bulle. Ces résultats fournissent une compréhension complète du phénomène de cicatrisation des trous, en particulier dans l'éclatement du film océanique. Le présent travail offre également une base pour les futures études sur le phénomène d'éclatement du film impliquant des dynamiques complexes, y compris la cicatrisation des trous.