Study on the multiphase flows and interfacial phenomena at multiscale - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2020

Study on the multiphase flows and interfacial phenomena at multiscale

Écoulements polyphasiques et phénomènes interfaciaux à multi échelles

Abstract

Multiphase flows and interfacial phenomena are widely involved in the natural world, our daily life, and numerous industrial processes. By employing three different techniques including a high-speed camera, an ultra-high-speed Direct Current (DC) electrical device, and a high-speed micro-Particle Image Velocimetry (micro-PIV), the multiphase flows and interfacial phenomena at multiscale were investigated experimentally by both passive and active methods. The flow behaviors of the elastic non-Newtonian two-phase flow in both T-junction and flow-focusing devices were investigated. The fluid elasticity affected the dynamics of droplet formation, stretching and breakup. During the droplet formation, the peculiar beads-on-string flow was observed. The influences of the fluid elasticity on the minimum neck width, the maximum length of the dispersed thread and the droplet size were studied. The predicting models for the droplet size were optimized by introducing the dimensionless parameters to characterize the fluid elasticity. For the stretching and breakup of elastic droplets, the influences of elasticity on the transition from droplet stretching to breakup, the dynamics of droplet stretching and breakup as well as the size ratio of the daughter droplets were also investigated. The power-law models were proposed to predict the maximum stretching length. Subsequently, the initial coalescence of a pendant drop at a liquid surface and the initial spreading on a solid surface were investigated. The ultra-high-speed DC electrical device with the sampling speed of 1.25×106 Hz allows to monitoring the dynamics of coalescence and spreading within 10 µs. The coalescing width expands linearly with time in the inertially limited viscous regime and follows a power law in the inertial regime. The evolutions of the velocity fields during the initial coalescence and spreading were measured and computed by the high-speed micro-PIV with a capturing rate up to 5000 velocity fields per second, revealing the transformation of surface energy to kinetic energy. Besides, the consecutive electrical peaks with a regular interval of 20 ms were observed during the filament thinning of the polymer liquid neck. In addition, the active manipulation of the ferrofluid drop was realized by introducing an external magnetic field. Evident deformations of both the pendant ferrofluid drop and the bulk surface were observed prior to the contact even in the absence of a magnetic field. The exponential laws were proposed to predict the increasing coalescing width with time and the decreasing maximum coalescing width with the magnetic field. A high-speed micro-PIV technique was employed with a transparent model fluid to reveal the flow fields during the ferrofluid drop coalescence. The self-sustained coalescence-breakup cycles of ferrofluid drops were observed for the first time. The exponential model was proposed to predict the increasing periodic frequency with the applied magnetic field.
Les écoulements polyphasiques couplés aux phénomènes interfaciaux sont largement impliqués dans la nature, notre vie quotidienne et de nombreux procédés industriels. A l’aide des trois techniques différentes, dont une caméra à grande vitesse, un appareil électrique à courant continu ultra-rapide et une micro-vélocimétrie par image des particules à grande vitesse, les écoulements polyphasiques et les phénomènes interfaciaux à différentes échelles ont été étudiés expérimentalement par des approches passives et actives. Les écoulements diphasiques comprenant une phase viscoélastique dans les dispositifs microfluidiques ont été étudiés. Au cours de la formation des gouttelettes, l’écoulement sous forme d’un fil de perles est observé. L’effet de l'élasticité du fluide sur la largeur minimale du col, la longueur maximale du filament et la taille des gouttelettes a été quantifié. Les corrélations prédictives de la taille des gouttelettes ont été optimisées en introduisant les nombres adimensionnels pour caractériser l'élasticité du fluide. Pour l'étirement et la rupture des gouttelettes élastiques, l’influence de l'élasticité sur la transition de l'étirement des gouttelettes à la rupture, la dynamique de l'étirement et de la rupture des gouttelettes ainsi que le rapport de taille des gouttelettes filles a également été étudiée. Une loi de puissance a été proposée pour décrire la longueur maximale d'étirement. Par la suite, la coalescence initiale d'une goutte pendante à une surface liquide de la même nature et l'étalement initial sur une surface solide ont été étudiés. L'appareil électrique ultra-rapide à courant continu avec une vitesse d'échantillonnage de 1,25 × 106 Hz permet de suivre la dynamique de coalescence et d'étalement sur une période aussi courte que 10 µs. La largeur de coalescence croit linéairement avec le temps dans le régime visqueux à inertie limitée et suit une loi de puissance dans le régime inertiel. Les évolutions des champs de vitesse ont été mesurées et calculées par le micro-PIV à grande vitesse avec une cadence jusqu'à 5000 champs de vitesse par seconde, révélant la transformation de l'énergie de surface en énergie cinématique. Par ailleurs, des pics électriques consécutifs avec un intervalle régulier de 20 ms ont été observés lors de l'amincissement et la rupture des filaments des liquides polymères. Enfin, la manipulation active de la goutte de ferrofluide a été réalisée en introduisant un champ magnétique. Des déformations évidentes de la goutte pendante de ferrofluide et de la surface initialement plate du même ferrofluide ont été observées avant le contact, même en l'absence de champ magnétique. Les lois exponentielles ont été proposées pour prédire l'augmentation de la largeur de coalescence avec le temps et la diminution de la largeur de coalescence maximale avec le champ magnétique. Le micro-PIV à grande vitesse a été utilisé avec un fluide modèle transparent pour révéler les champs d'écoulement pendant la coalescence des gouttes de ferrofluide. Les cycles de rupture et de coalescence auto-entretenus des gouttes de ferrofluide ont été observés pour la première fois. Un modèle exponentiel a été proposé pour prédire l'augmentation de la fréquence périodique avec le champ magnétique.
Fichier principal
Vignette du fichier
DDOC_T_2020_0110_ZHANG.pdf (9.07 Mo) Télécharger le fichier
Origin : Files produced by the author(s)

Dates and versions

tel-02998745 , version 1 (10-11-2020)

Identifiers

  • HAL Id : tel-02998745 , version 1

Cite

Qindan Zhang. Study on the multiphase flows and interfacial phenomena at multiscale. Chemical and Process Engineering. Université de Lorraine; Université de Tianjin (Chine), 2020. English. ⟨NNT : 2020LORR0110⟩. ⟨tel-02998745⟩
123 View
171 Download

Share

Gmail Facebook X LinkedIn More