Dynamique des interfaces fluides en présence de tensioactifs

La déformation des interfaces est cruciale pour les écoulements à phase dispersée. Elle joue un rôle essentiel dans de nombreuses situations telles que celles ciblées ici : le mouvement de bulles ou gouttes en micro-canaux et les phénomènes de rupture et de coalescence qui régissent la distribution de tailles des bulles ou des gouttes. Elle est donc au cœur des micro-réacteurs, des procédés de dispersion (dissolution d’un gaz dans un liquide pour le traitement des eaux) ou bien de séparation de phases (élimination de l’eau résiduelle dans le pétrole avant raffinage).

L’évolution de la forme d’une goutte est régie par les dynamiques des fluides qui l’entourent, couplées entre elle par des relations de sauts des contraintes à l’interface. Pour des fluides purs, l’interface peut être décrite par une tension interfaciale σ isotrope, et ces relations se limitent au saut des contraintes normales donné par la loi de Laplace: 2σ/R. Dans la grande majorité des applications, des tensioactifs sont présents et confèrent aux interfaces des propriétés mécaniques plus complexes. On peut distinguer plusieurs situations selon la nature des tensioactifs. S’ils sont raisonnablement dilués et interagissent peu entre eux, leur effet va essentiellement être de rendre la tension interfaciale variable : σ dépend alors de leur concentration Γ à l’interface. On parle alors de rhéologie interfaciale compositionnelle. Les variations d’aire de l’interface entraînent des variations de σ et donnent naissance à une élasticité de surface, nommée élasticité de Gibbs. Les variations spatiales de Γ engendrent des gradients de σ qui donnent naissance à l’effet Marangoni, responsable d’un saut des contraintes tangentielles. La concentration des tensioactifs à l’interface étant liée à leur concentration dans les fluides environnants, la rhéologie interfaciale compositionnelle est intimement lié aux phénomènes de transports dans les fluides et d’adsorption/désorption aux interfaces. Par ailleurs, si les tensioactifs adsorbés interagissent fortement entre eux (par répulsion stérique ou liaisons attractives), l’interface peut adopter une rhéologie de fluide bi-dimensionnel viscoélastique, montrant alors une résistance au cisaillement comme à la variation d’aire. On parle alors de rhéologie interfaciale intrinsèque.

Au cours des dernières années, des outils théoriques et numériques ont été développés dans l’équipe de recherche Interfaces pour modéliser le comportement de telles interfaces. La prise en compte des tensioactifs a notamment été réalisée dans les codes de simulations numériques JADIM et DIVA s’appuyant sur les méthodes Volume Of Fluid et Level-Set pour la description des interfaces.

Réponse en fréquence d’une goutte soumise à des oscillations forcées.