Contribution to the study and the modelling of the development of a boundary layer over a super-hydrophobic surface : experimental and numerical coupled approach
Contribution à l'étude et à la modélisation du développement d'une couche limite sur paroi super-hydrophobe : approche couplée expérimentale et numérique
Résumé
Super-hydrophobic (SH) surfaces are becoming more and more attractive for industrial purposes. In the framework of submarine applications, these coatings could help in reducing the hydrodynamic drag and bio-fouling thanks to the presence of an air layer encapsulated within the surface roughness. Even if promising results were obtained at laboratory scale, the extrapolation of SH coatings performance towards more realistic conditions is not straightforward. The objective of this work was to achieve a better understanding of the physical mechanisms underlying the development of a boundary layer on a SH surface over a wide range of operating conditions. In the first part of this work, SH coatings effects over bluff-bodies are studied via experiments on free falling spheres. The experimental set-up designed for the execution of the free falling tests consists in a vertical tank filled with a liquid at rest. The tests operating conditions are varied by analysing a large range of sphere diameters and liquid properties. The codes implemented to post-process the recorded videos allow for the reconstruction of the instantaneous hydrodynamic loads acting on the falling sphere. The main output of the experimental tests is the interaction between the flow around the falling sphere and the air-liquid interface. The strength of this interaction varies as a function of the analysed falling regime. Path and wake instabilities are promoted by SH coatings when the wake hydrodynamic perturbation on the air-liquid interface is strong enough. To achieve further insight on the near-wall phenomena, the experimental tests are coupled with a numerical approach in a channel configuration. The SH surface is modelled via a Navier partial slip condition, whereas the air-liquid interface deformation is modelled by prescribing a fixed deformed channel wall. The wall deformation is always found to reduce the beneficial slip effects with respect to an ideal flat SH surface.
Depuis plusieurs années, la popularité des revêtements dits super-hydrophobes (SH) est grandissante dans le secteur industriel. Pour les applications sous-marines, ces matériaux pourraient servir à réduire la traînée hydrodynamique et le bio-encrassement grâce à la présence d’un film d’air piégé au sein des rugosités. Bien que prometteurs à l’échelle du laboratoire, le comportement de ces matériaux en présence d’un écoulement dans des conditions réalistes soulève de nombreuses interrogations. Ce travail de thèse a pour objectif d’apporter une compréhension plus fine des mécanismes physiques pilotant le développement d’une couche limite sur une paroi SH sur une large gamme de régimes. Dans la première partie de ce travail des essais expérimentaux sont réalisés sur des sphères en chute libre pour analyser les effets des revêtements SH. Le montage expérimental est constitué d’un réservoir vertical rempli d’un liquide au repos. Différentes conditions de fonctionnement sont réalisées en utilisant une large gamme de diamètres des sphères et des propriétés du liquide. Le code développé pour le post-traitement des vidéos enregistrées permet la reconstruction des efforts hydrodynamiques instantanés s’exerçant sur la sphère en chute libre. Le principal résultat obtenu concerne l’interaction de la couche d’air avec l’écoulement. L’intensité de cette interaction varie en fonction du régime de chute considéré. Les instabilités de trajectoire et du sillage sont amplifiées par les revêtements SH quand la perturbation hydrodynamique du sillage sur l’interface air-liquide est suffisamment importante. Pour analyser finement les mécanismes de proche paroi, la simulation numérique d’un écoulement dans un canal est considérée. La surface SH est modélisée par une condition de Navier de glissement pariétal, alors que la déformation de l’interface air-liquide est modélisée en imposant une déformation fixe de la paroi du canal. Comparativement à une surface plane SH, la paroi ainsi déformée conduit à une diminution de l’effet bénéfique du glissement pariétal.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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