Lorsque l'eau s'écoule du fond d'un tube vertical, il est suivi d'un mince film de liquide qui peut adopter des formes complexes et belles. Les chercheurs de KAUST ont maintenant étudié exactement comment ces « films cannelés » se forment et se séparent, développant un modèle mathématique de leur comportement qui pourrait aider à améliorer les performances, la sécurité et l'efficacité des processus industriels.
Le document est publié dans la revue Lettres d'examen physique.
« À première vue, l'eau qui s'écoule d'un tube semble être un processus quotidien conduit par la gravité », explique Abhijit Kushwaha, membre de l'équipe derrière le travail. « Ce n'est qu'avec l'imagerie à grande vitesse que nous pouvons ralentir suffisamment le temps pour capturer la chorégraphie cachée de ce processus. »
Pour l'étude, l'équipe a utilisé des tubes creux de différents diamètres, remplis d'eau à différentes hauteurs. Alors que les chercheurs permettaient à l'eau de s'écouler, une caméra à grande vitesse a capturé les formes formées sur une période d'environ une centaine de millisecondes.
Cela a révélé un effet curieux pour certaines combinaisons de diamètre du tube et de hauteur de l'eau. Lorsque le liquide tombait, un mince film d'eau traînait contre les murs du tube et descendait plus lentement. Une fois que la colonne d'eau principale a quitté le tube, ce film a émergé et a formé une bulle éphémère en forme de tulipe. Dans certains cas, le film cannelé s'est rapidement rétracté dans le tube; Dans d'autres, il s'est étiré jusqu'à ce que la colonne d'eau s'en sépare.
La formation de films cannelés dépend d'un équilibre délicat de gravité, de tension de surface, d'inertie et de viscosité, explique Kushwaha. Si la colonne d'eau est trop courte ou si le tube est trop étroit, le film ne se forme pas. Inversement, les tubes les plus larges produisent un film cylindrique qui se détache du tube pour créer une forme de couronne.
Les chercheurs ont créé un modèle mathématique pour prédire le comportement de ces films sur la base de quelques paramètres simples, tels que le rayon du tube et la hauteur de l'eau. « Cela peut éclairer de meilleures stratégies de conception et de contrôle dans n'importe quel système où les films liquides minces jouent un rôle essentiel – des réacteurs industriels à la microélectronique aux systèmes biologiques, tels que les poumons », explique Tadd Truscott, qui mène la recherche.
Par exemple, les dispositifs appelés évaporateurs en films qui tombent sont largement utilisés dans des industries comme la transformation des aliments, les produits pharmaceutiques et la production d'électricité pour concentrer les liquides ou éliminer les solvants. Ces systèmes présentent des films minces de liquide qui s'évaporent lorsqu'ils circulent dans les parois des tubes chauffés. Si ces films se cassent ou deviennent inégaux, l'efficacité du transfert de chaleur peut être réduite ou l'équipement peut être endommagé.
« Nos recherches contribuent à améliorer le moment où et comment ces films pourraient rompre ou se comporter de façon inattendue, offrant des informations qui pourraient être utilisées pour concevoir des systèmes plus fiables », explique Truscott. « Cela pourrait également être pertinent pour refroidir les moteurs de fusée ou appliquer des revêtements protecteurs sur les surfaces. »
L'équipe prévoit d'étudier comment d'autres liquides se comportent dans une gamme plus large de tubes. « En fin de compte, notre objectif est de développer un cadre prédictif qui aide les scientifiques et les ingénieurs à comprendre, concevoir et optimiser les systèmes où des films minces jouent un rôle caché mais crucial », ajoute Kushwaha.
