PhD defense Aurélien Goerlinger

[english title and abstract see below, defense will be held in French]

Impact de jets : du ressaut hydraulique oscillant à la formation de spray sur surface chaude

    L’impact de jets sur diverses surfaces est au coeur de nombreuses problématiques, notamment en terme de refroidissement et de nettoyage de surface. Dans cette thèse, nous nous intéressons à deux aspects de ce sujet pour des jets sub-millimétriques. Dans un premier temps, nous étudions le ressaut hydraulique circulaire observé lorsqu’un jet d’eau vertical impacte une surface horizontale à température ambiante. En particulier, nous rapportons l’observation d’un comportement jusqu’ici jamais décrit dans la littérature sur le ressaut  hydraulique circulaire : ce dernier peut se fermer et se réouvrir de manière spontanée et périodique. Nous avons observé que ce comportement n’avait lieu que pour une gamme de débit très faible et très étroite, tandis que la période des oscillations ne dépend pas du tout du débit mais du rayon du disque impacté par le jet. Nous montrons que ces oscillations peuvent être comprises à travers le couplage avec une cavité de résonance formée par la couche d’eau liquide sur la disque, et nous obtenons un excellent accord entre nos prédictions et l’expérience. Enfin, nous utilisons la méthode Schlieren afin de visualiser directement les modes de cavité et nous proposons une explication des oscillations du ressaut.
    Dans un second temps, nous nous intéressons à l’aspect hydrodynamique de l’impact d’un jet d’eau sur une surface chauffée à plus de 300◦C. Nous observons deux régimes différents en fonction du nombre de Weber We du jet : pour We ≲ 30, une unique goutte se forme sous le jet, grandit puis se détache pour laisser place à une nouvelle goutte, tandis que pour We ≳ 40 une nappe liquide se forme sous le jet et se fragmente en une multitude de gouttelettes éjectées de manière axisymétrique avec un angle bien défini par rapport à l’horizontale. Nous caractérisons expérimentalement le second régime à travers l’angle d’éjection des gouttelettes et le rayon de la zone de contact de la nappe liquide avec la surface chaude, et nous proposons des loi d’échelles permettant de décrire nos résultats ainsi que la transition entre les deux régimes observés. Enfin, nous caractérisons la vitesse et le rayon des gouttelettes éjectées. Nous comparons nos résultats aux travaux sur les nappes de Savart existant dans la littérature, et nous discutons de l’énergie des gouttelettes éjectées, notamment par rapport à l’énergie injectée par le jet.

Jet impacts: from oscillating hydraulic jumps to spray formation on hot surfaces

    The impact of jets on various surfaces is at the heart of many problems, particularly in terms of cooling and surface cleaning. In this thesis, we focus on two aspects of this subject for sub-millimeter jets. Firstly, we study the circular hydraulic jump observed when a vertical water jet impacts a horizontal surface at room temperature. In particular, we report the observation of a behavior never before described in the literature on the circular hydraulic jump: the latter can close and reopen spontaneously and periodically. We have observed that this behavior only occurs for a very small and narrow range of flow rates, while the period of the oscillations does not depend at all on the flow rate but on the radius of the disk impacted by the jet. We show that these oscillations can be understood through coupling with a resonance cavity formed by the layer of liquid water on the disc, and obtain excellent agreement between our predictions and experiment. Finally, we use the Schlieren method to visualize the cavity modes directly, and propose an explanation for the jump oscillations.
    Secondly, we focus on the hydrodynamic aspect of the impact of a water jet on a surface heated to over 300°C. We observe two different regimes as a function of the Weber number We of the jet: for We ≲ 30, a single drop forms under the jet, grows and then detaches to make way for a new drop, while for We ≳ 40 a liquid sheet forms under the jet and fragments into a multitude of droplets ejected axisymmetrically at a well-defined angle to the horizontal. We experimentally characterize the second regime through the droplet ejection angle and the radius of the contact zone of the liquid sheet with the hot surface, and propose scaling laws to describe our results and the transition between the two observed regimes. Finally, we characterize the velocity and radius of the ejected droplets. We compare our results with existing work on Savart sheets in the literature, and discuss the energy of the ejected droplets, particularly in relation to the energy injected by the jet.