Hole Dynamics in Films - Thèses de Sorbonne Université Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Hole Dynamics in Films

Dynamique des trous dans les films

Hamed Vaziri Goudarzi
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1368875
  • IdRef : 276701380

Résumé

Oceanic film bursting is a phenomenon in which a thin liquid film representing the cap of the bubble bursts at the surface of the ocean, producing film drops. The film bursting phenomenon is critical in ocean-atmosphere exchanges, particularly in transferring heat, mass, and momentum between the ocean and the atmosphere. The film bursting phenomenon comprises a series of complex dynamics, such as drainage, puncture, film retraction, and film disintegration into film drops. The hole healing (i.e., when a hole is too small and is closed after its nucleation) is a critical parameter that could impact the film bursting dynamics, particularly the film thickness at bursting and, thus, the liquid budget for the film drop production. The present work investigates the dynamics of holes in free liquid films, presenting a comprehensive understanding of the hole-healing phenomenon while focusing on the film bursting in the oceanic context. This was achieved through a combination of numerical simulations and analytical approaches. The numerical simulations were carried out using Basilisk. This robust and efficient two-phase flow solver is based on a Volume-of-Fluid (VoF) method and written using the C-programming language. The underlying mechanism for the hole-healing phenomenon was studied in detail. The dichotomy simulations for the determination of the healing threshold carried out in this work have used high-resolution mesh refinement. This was possible by using an adaptive mesh scheme provided by Basilisk. The analytical approaches were used to develop hypotheses to predict the healing threshold of a hole on a film, which were tested against numerical results. The critical dynamics of the hole are examined, and distinct power laws were identified for the tip curvature to illustrate the driving mechanism. The variations in the hole healing threshold with other problem parameters were examined. This study was first carried out for a flat film, discovering that the healing threshold is increased by increasing the film Laplace number. This effect was pronounced for values ranging from 1 to 10000, coinciding with the customary range of film Laplace numbers observed for oceanic bursting bubbles. The observed effects were also elaborated upon, along with physical explanations. Since the exact initial shape of the hole was shown to influence the healing threshold, an examination was carried out to study this effect on the consistency of the results from changing the film Laplace number, taken as an example for the other. It was shown that despite variations in the threshold for different shapes, the effect of changing the film Laplace number was independent of the hole shape. Therefore, the dichotomy results were shown to be independent of the arbitrary choice of the hole shape throughout the study. A similar study was carried out for a hole in a bubble cap after a detailed study of the bubble and gas outflow dynamics. It was discovered that the gas outflow undergoes a Venturi effect, where a stronger outflow, resulting from smaller bubble sizes or higher gas Laplace numbers, was shown to increase the healing threshold. A hypothesis was developed to predict the Venturi effect on the healing threshold, resulting in a Venturi correction term that predicted a power law dependency on the bubble diameter, which agreed with the numerical results. The Venturi effect was significant for high values of the gas Laplace number, where the healing threshold was doubled by increasing the film mean curvature from a flat film to a bubble cap with a size 20 times the bubble cap thickness. These findings provide a comprehensive understanding of the hole-healing phenomenon, particularly in oceanic film bursting. The present work also offers a foundation for future studies on the film-bursting phenomenon involving complex dynamics, including hole healing.
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.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04524680 , version 1 (28-03-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04524680 , version 1

Citer

Hamed Vaziri Goudarzi. Hole Dynamics in Films. Fluid mechanics [physics.class-ph]. Sorbonne Université, 2023. English. ⟨NNT : 2023SORUS640⟩. ⟨tel-04524680⟩
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