Simulation Numériques Directe de l'évaporation d'une goutte en interaction avec une paroi surchauffée

Résumé : 

L’évaporation d’une goutte sur une paroi de température supérieure à la température d’ébullition du liquide est un problème complexe caractérisé par de forts couplages entre l’hydrodynamique et les transferts thermiques. L’un des paramètres primordiaux est la température de la paroi. Pour des températures modérées, la goutte s’évapore tout en restant en contact avec la paroi. En augmentant la température, on observe l’apparition de bulles à la surface solide qui sont la manifestation d’ébullition nucléée. Au-delà d’un certain seuil de température, l’évaporation est suffisamment forte pour que la goutte lévite au-dessus de la paroi, sur un coussin de vapeur de faible épaisseur qui est le lieu de forts transferts thermiques. C’est le phénomène de Leidenfrost. Ces différents régimes traduisent une diversité des interactions entre la goutte et la paroi solide, dont de nombreux mécanismes sont encore à élucider. La Simulation Numérique Directe (DNS) constitue un outil prometteur pour l’étude de ces systèmes à petite échelle, et permet de s’affranchir des limites expérimentales.

Dans le cadre de cette thèse, des solveurs et fonctionnalités ont été implémentés dans le code DIVA afin de complexifier le modèle physique résolu par les solveurs usuels et de s’approcher le plus possible des conditions réelles rencontrées dans des conditions de forte évaporation. Il s’agissait en particulier de tenir compte des effets de dilatation thermique et de thermodépendance des propriétés.

Dans un premier temps, des simulations numériques de l’évaporation d’une goutte dans un écoulement laminaire surchauffé sont présentées. Cette configuration permet d’analyser les effets de thermodépendance de la densité et de dilatation thermique induits par les forts gradients de températures.

La deuxième partie porte sur la simulation numérique d’une petite goutte qui s’évapore sur une paroi surchauffée en régime de Leidenfrost. Deux configurations sont étudiées. La première considère l’évaporation du liquide dans sa vapeur saturée. Une étude paramétrique est menée pour caractériser les effets de l’évaporation et de la taille de la goutte sur ses propriétés géométriques et les transferts thermiques. La deuxième configuration s’intéresse à une approche plus proche de la réalité, où une espèce chimique inerte additionnelle est présente dans le gaz. Une étude phénoménologique permet d’analyser l’influence des différents développements numériques de cette thèse : les effets de thermodépendance des propriétés, de mélange, et les effets thermocapillaires. Les résultats sont confrontés à des travaux théoriques et expérimentaux de la littérature. L’étude réalisée montre que la prise en compte de la convection Marangoni, induite par les effets thermocapillaires, a un impact majeur sur la position d’équilibre de la goutte.